Спустя 86 лет физики наконец создали электронный кристалл


208
208 points

В 1934 году физик-теоретик Юджин Вигнер предложил новый тип кристалла.

Если бы плотность отрицательно заряженных электронов могла бы поддерживаться ниже определенного уровня, субатомные частицы могли бы удерживаться в повторяющейся структуре, создаd электронный кристалл. Эта идея стала известна как вигнеровский кристалл.

Однако всё это намного легче сказать, чем сделать. Электроны очень непоседливы, поэтому заставить их находиться на месте чрезвычайно сложно.

Тем не менее, сейчас группе физиков удалось достичь этого — заключив суетливых маленьких негодников между парой двумерных полупроводниковых вольфрамовых слоев.

Изображение: Xu et al., Nature, 2020

Обычные кристаллы, такие как алмазы или кварц, состоят из решетки атомов, образующих фиксированную трехмерную повторяющуюся сетчатую структуру. Согласно идее Вигнера, электроны можно было бы расположить аналогичным образом, чтобы сформировать твердую кристаллическую фазу, но только если бы они были неподвижными.

Если плотность электронов достаточно мала, кулоновское отталкивание между электронами с одинаковым зарядом создает потенциальную энергию, которая должна доминировать над их кинетической энергией, в результате чего электроны остаются неподвижными. В этом и заключается трудность.

«Электроны квантово-механические. Даже если с ними ничего не делать, они все время спонтанно колеблются», — сказал физик Кин Фай Мак из Корнелльского университета.

«В действительности кристалл из электронов склонен был бы просто таять из-за сложности удерживать электроны фиксированными в периодической структуре».

Поэтому попытки создать вигнеровские кристаллы опираются на своего рода ловушки для электронов, такие ​​как мощные магнитные поля или одноэлектронные транзисторы, но полная кристаллизация до сих пор ускользала от физиков. В 2018 году ученые Массачусетского технологического института, пытающиеся создать тип изолятора, возможно, сумели вместо этого создать вигнеровский кристалл, но полученные результаты оставили место для интерпретаций.

Изображение: UCSD Department of Physics

Ловушкой Массачусетского технологического института была структура графена, известная как муаровая сверхрешетка, где две двумерные сетки накладываются друг на друга с небольшим поворотом и в результате появляются более крупные регулярные узоры, как показано на изображении выше.

Сейчас команда из Корнелльского университета, возглавляемая физиком Ян Сюй, использовала более целенаправленный подход с собственной муаровой сверхрешеткой. Для своих двух полупроводниковых слоев они использовали дисульфид вольфрама (WS2) и диселенид вольфрама (WSe2), специально выращенные в Колумбийском университете, говорится в статье, опубликованной в Nature.

При наложении эти слои образовывали гексагональный узор, что позволяло команде контролировать среднее размещение электронов в любом конкретном месте муара.

Следующим шагом было аккуратно разместить электроны в определенных местах решетки, используя расчеты для определения степени заполнения, при которой различные расположения электронов будут формировать кристаллы.

Последняя проблема заключалась в том, как увидеть созданный вигнеровский кристалл.

«Чтобы создать электронный кристалл, нужно создать правильные условия, но в то же время он очень неустойчив», — сказал Мак.

«Требуется хороший способ его исследовать. Вам очень не хочется его сильно беспокоить».

Эта проблема была решена с помощью изолирующих слоев гексагонального нитрида бора. Оптический датчик размещался очень близко (но не касался) образца, на расстоянии всего одного нанометра, разделенных слоем нитрида бора. Это предотвратило электрическую связь между датчиком и образцом, сохраняя при этом достаточную близость для высокой чувствительности обнаружения.

Такое расположение позволило группе зондировать образец и они сделали свое обнаружение. Внутри муаровой сверхрешетки электроны расположились в различных кристаллических конфигурациях.


Понравилось? Поделитесь с друзьями!

208
208 points
Василий Вдовиченко
Южная научно-исследовательская лаборатория