Физики впервые получили изображение электронного кристалла

от

В своем обычном поведении электроны вращаются вокруг ядра атома. Однако недавнее открытие группы физиков выявило необычное состояние: электроны собрались в отдельном квантовом состоянии, называемом вигнеровским кристаллом, где они сливаются без ядра в центре.

В 1934 году Юджин Вигнер выдвинул гипотезу, что электроны будут образовывать кристаллическую структуру, если их взаимодействия будут достаточно сильными. На этой неделе современная команда применила передовую сканирующую туннельную микроскопию, чтобы визуально подтвердить это предсказание путем непосредственного наблюдения за кристаллом. Их результаты были опубликованы в уважаемом журнале Nature.

«По словам Али Яздани, физика из Принстонского университета и руководителя исследования, вигнеровский кристалл представляет собой интригующее квантовое состояние материи, которое было теоретически предложено и широко исследовано, однако доказательства его существования, в лучшем случае, были предложены лишь косвенно. «

Электроны естественным образом избегают друг друга из-за взаимного отталкивания: они предпочитают какое-то личное пространство. В 1970-х годах ученым из Bell Laboratories удалось создать электронный кристалл путем распыления частиц на гелий. Однако этот эксперимент остался в области классической физики. Более недавнее открытие, по мнению исследователей, привело к созданию «настоящего вигнеровского кристалла», поскольку электроны в решетке вели себя не только как отдельные частицы, но и как сплоченная волна.

Вигнер предположил, что квантовая фаза электронов возникнет в результате их взаимного отталкивания, а не станет исключением из этого правила. Однако это явление могло иметь место только при чрезвычайно низких температурах и редких условиях. В недавнем эксперименте исследователи поместили электроны между двумя безупречно очищенными слоями графена. После этого образцы охлаждали и вводили магнитное поле, перпендикулярное их плоскости. Самая сильная напряженность магнитного поля составила 13,95 Тесла, а самая низкая температура достигла 210 милликельвинов. Ограничив движение электронов магнитным полем, исследователи увеличили вероятность наблюдения кристаллизации.

Минхао Хэ, исследователь из Принстонского университета и соавтор исследования, объяснил в том же пресс-релизе: «Электроны по своей природе испытывают отвращение друг к другу. Они стараются держаться на расстоянии, но не могут быть бесконечно далеко из-за ограниченная плотность электронов. Следовательно, они располагаются в плотно упакованной, упорядоченной решетке, где каждый электрон занимает определенное количество места».

Ученые были ошеломлены, обнаружив, что кристалл Вигнера сохраняет свою стабильность даже на ожидаемом расстоянии. Однако при большей плотности это кристаллическое состояние переходило в электронную жидкость. Впоследствии команда намерена визуально исследовать трансформацию кристаллической фазы Вигнера в альтернативные электронные фазы под воздействием магнитного поля.

В эти захватывающие времена исследователи углубляются в тонкости необычных веществ – от изучения скрытых аспектов второго звука тепла до исследования кристаллов времени с беспрецедентной прочностью. Исследуя материю на ее границах, физики стремятся углубить свои знания о фундаментальных строительных блоках нашей Вселенной и загадочных правилах, которым они следуют.

Смотрите также

2024-04-11 20:15