Так выглядит твердое тело из электронов

Это изображение листа графена, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа, показывает, что внутри слоистой структуры под ним образовался «кристалл Вигнера» - сотовая структура электронов. Предоставлено: Х. Ли и др. / Природа.

Если условия подходящие, некоторые электроны внутри материала образуют аккуратную сотовую структуру - как твердое тело внутри твердого тела. Физики получили прямое изображение этих «кристаллов Вигнера», названных в честь теоретика венгерского происхождения Юджина Вигнера, который впервые представил их почти 90 лет назад.

Исследователи убедительно создавали кристаллы Вигнера и измеряли их свойства и раньше, но это первый случай, когда кто-либо действительно сделал снимок закономерностей, говорит соавтор исследования Фэн Ван, физик из Калифорнийского университета в Беркли. «Если вы говорите, что у вас есть электронный кристалл, покажите мне кристалл», - говорит он. Результаты были опубликованы 29 сентября в Nature 1.

Чтобы создать кристаллы Вигнера, команда Ванга построила устройство, содержащее тонкие до атома слои из двух одинаковых полупроводников: дисульфида вольфрама и диселенида вольфрама. Затем команда использовала электрическое поле, чтобы настроить плотность электронов, которые свободно перемещались вдоль границы раздела между двумя слоями.

В обычных материалах электроны движутся слишком быстро, чтобы на них сильно влияло отталкивание между их отрицательными зарядами. Но Вигнер предсказал, что если электроны перемещаются достаточно медленно, то отталкивание станет доминировать в их поведении. Затем электроны найдут устройства, которые минимизируют их общую энергию, например сотовую структуру. Поэтому Ван и его коллеги замедлили движение электронов в своем устройстве, охладив его всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.

Несоответствие между двумя слоями в устройстве также помогло электронам сформировать кристаллы Вигнера. Атомы в каждом из двух полупроводниковых слоев находятся на небольшом разном расстоянии друг от друга, поэтому их объединение в пары создает сотовый «муаровый узор», подобный тому, который наблюдается при наложении двух сеток. Этот повторяющийся узор создавал области с немного меньшей энергией, что помогало электронам успокаиваться.

Уловка с графеном

Команда использовала сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), чтобы увидеть этот кристалл Вигнера. В СТМ металлический наконечник парит над поверхностью образца, и напряжение заставляет электроны спрыгивать с наконечника, создавая электрический ток. По мере того, как игла перемещается по поверхности, изменяющаяся сила тока показывает расположение электронов в образце.

По словам Ванга, первоначальные попытки получить изображение кристалла Вигнера с помощью СТМ непосредственно на двухслойном устройстве не увенчались успехом, поскольку ток разрушил хрупкие устройства Вигнера. Поэтому команда добавила сверху слой графена, состоящий из одного атома углерода. Присутствие кристалла Вигнера немного изменило электронную структуру графена непосредственно над ним, которая затем была обнаружена СТМ. Изображения ясно показывают аккуратное расположение нижележащих вигнеровских электронов. Как и ожидалось, последовательные электроны в кристалле Вигнера находятся почти в 100 раз дальше друг от друга, чем атомы в реальных кристаллах полупроводникового прибора.

«Я считаю, что возможность выполнять СТМ в этой системе - это большой шаг вперед», - говорит Кармен Рубио Верду, физик из Колумбийского университета в Нью-Йорке. Она добавляет, что тот же метод на основе графена позволит исследовать СТМ ряд других интересных физических явлений помимо кристаллов Вигнера. Кин Фай Мак, физик из Корнельского университета в Итаке, штат Нью-Йорк, согласен с этим. «Этот метод неинвазивен для состояния, которое вы хотите исследовать. Для меня это очень умная идея ».

источник: