Die Struktur des Materials. (Li et al., Nature, 2021) Physiker haben das erste Bild eines Wigner-Kristalls aufgenommen – ein seltsames Material mit Wabenmuster in einem anderen Material, das vollständig aus Elektronen besteht.
Der ungarische Physiker Eugene Wigner stellte erstmals 1934 eine Theorie über diesen Kristall auf, aber es dauerte mehr als acht Jahrzehnte, bis Wissenschaftler endlich einen direkten Blick auf das „Elektroneneis“ werfen konnten.
Das faszinierende erste Bild zeigt Elektronen, die zu einem engen, sich wiederholenden Muster zusammengepresst sind – wie winzige blaue Schmetterlingsflügel oder die Pressungen eines außerirdischen Klees.
Die Forscher hinter der Studie, veröffentlicht am 29. September in der Tagebuch Natur , sagen, dass dies zwar nicht das erste Mal ist, dass ein Wigner-Kristall plausibel hergestellt wurde oder seine Eigenschaften überhaupt untersucht wurden, die gesammelten visuellen Beweise jedoch der bisher eindringlichste Beweis für die Existenz des Materials sind.
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„Wenn Sie sagen, dass Sie einen Elektronenkristall haben, zeigen Sie mir den Kristall“, sagte der Mitautor der Studie, Feng Wang, ein Physiker an der University of California. erzählt Naturnachrichten .
Im Inneren gewöhnlicher Dirigenten wie Silber oder Kupfer , oder Halbleiter wie Silizium , Elektronen rasen so schnell umher, dass sie kaum in der Lage sind, miteinander zu interagieren. Bei sehr niedrigen Temperaturen werden sie jedoch langsamer und die Abstoßung zwischen den negativ geladenen Elektronen beginnt zu dominieren.
Die einst hochmobilen Partikel kommen zum Stillstand und ordnen sich in einem sich wiederholenden, wabenartigen Muster an, um ihren Gesamtenergieverbrauch zu minimieren.
Um dies in Aktion zu sehen, haben die Forscher Elektronen in der Lücke zwischen atomdicken Schichten von zwei eingefangen Wolfram Halbleiter – einer Wolframdisulfid und der andere Wolframdiselenid.
Nachdem die Forscher dann ein elektrisches Feld über die Lücke angelegt hatten, um potenziell störende überschüssige Elektronen zu entfernen, kühlten sie ihr Elektronensandwich auf über 5 Grad ab Absoluter Nullpunkt .
Tatsächlich hörten die einstmals schnellen Elektronen auf und bildeten die sich wiederholende Struktur eines Wigner-Kristalls.
Anschließend verwendeten die Forscher ein Gerät namens Rastertunnelmikroskop (STM), um diesen neuen Kristall zu betrachten. STMs funktionieren, indem sie eine winzige Spannung an eine sehr scharfe Metallspitze anlegen, bevor sie direkt über ein Material geführt werden, wodurch Elektronen von der Spitze auf die Oberfläche des Materials springen.
Die Geschwindigkeit, mit der Elektronen von der Spitze springen, hängt davon ab, was sich unter ihnen befindet. Daher können Forscher ein Bild der Braille-ähnlichen Konturen einer zweidimensionalen Oberfläche erstellen, indem sie den an jedem Punkt in die Oberfläche fließenden Strom messen.
Doch der vom STM bereitgestellte Strom war zunächst zu groß für das empfindliche Elektroneneis und „schmolz“ es bei Kontakt. Um dies zu verhindern, fügten die Forscher eine Einzelatomschicht ein Graphen direkt über dem Wigner-Kristall, wodurch der Kristall mit dem Graphen interagieren und darauf einen Abdruck hinterlassen kann, den das STM sicher lesen kann – ähnlich wie ein Fotokopierer.
Durch die vollständige Verfolgung des auf der Graphenschicht aufgedruckten Bildes konnte das STM den ersten Schnappschuss des Wigner-Kristalls erfassen und damit seine Existenz zweifelsfrei beweisen.
Nachdem sie nun den schlüssigen Beweis für die Existenz von Wigner-Kristallen haben, können Wissenschaftler die Kristalle nutzen, um tiefergehende Fragen darüber zu beantworten, wie mehrere Elektronen miteinander interagieren, etwa warum sich die Kristalle in Wabenform anordnen und wie sie „schmelzen“.
Die Antworten bieten einen seltenen Einblick in einige der schwer fassbaren Eigenschaften der winzigen Partikel.
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