V roce 1934 navrhl teoretický fyzik Eugene Wigner existenci nového typu krystalu.
Pokud by hustota záporně nabitých elektronů mohla být udržována pod určitou úrovní, mohly by být subatomární částice udržovány v opakujícím se vzoru, čímž vznikl elektronický krystal; tato myšlenka se stala známou jako Wignerův krystal.
Mnohem snadněji se to ale řekne, než udělá. Elektrony jsou úzkostlivé a je velmi obtížné je přimět, aby zůstaly na svém místě. Skupina fyziků toho však nyní dosáhla – uzavřením kroutících se vlásenek mezi dvojicí 2D polovodičových wolframových vrstev.
Běžné krystaly, jako jsou diamanty nebo křemen, jsou tvořeny z mřížky atomů, které tvoří pevnou, trojrozměrnou opakující se síťovou strukturu. Podle Wignerovy myšlenky mohly být elektrony uspořádány podobným způsobem, aby vytvořily pevnou krystalickou fázi, ale pouze v případě, že elektrony byly stacionární.
Pokud je hustota elektronů dostatečně nízká, Coulombův odpor mezi elektrony stejného náboje vytváří potenciální energii, která musí ovládat kinetickou energii, přičemž elektrony zůstávají nehybné. To je obtíž.
“Elektrony jsou kvantově mechanické.” I když s nimi nic neděláte, neustále spontánně váhají, '' řekl fyzik Keen Fay Mak z Cornell University.
„Krystal elektronů by měl ve skutečnosti tendenci se tavit, protože je tak obtížné udržet elektrony fixované v periodické struktuře.“
Proto se pokusy o vytvoření Wignerových krystalů spoléhají na druh elektronové pasti, jako jsou silná magnetická pole nebo jednoelektronové tranzistory, ale fyzikům se dosud nepodařilo úplnou krystalizaci. V roce 2018 vědci MIT, kteří se snažili vytvořit typ izolátoru, místo toho vytvořili Wignerův krystal, ale jejich výsledky ponechaly prostor pro interpretaci.
(Ústav fyziky UCSD).
Lapač MIT byl grafenová struktura známá jako molaté superlattice, kde se dvě dvojrozměrné mřížky navzájem překrývají s mírným kroucením a objevují se větší pravidelné vzory, jak je znázorněno na obrázku výše.
Nyní Cornellův tým vedený fyzikem Yang Xu zaujal cílenější přístup s vlastní molatovou superlatticí. Pro své dvě polovodičové vrstvy použili disulfid wolframu (WS2) a diselenid wolframu (WSe2) speciálně pěstovaný na Kolumbijské univerzitě.
Když se tyto vrstvy překrývaly, vytvořily šestihranný vzor, což vědcům umožnilo řídit průměrnou mobilitu elektronů v dané oblasti moaré.
Dalším krokem bylo opatrné umístění elektronů na konkrétní místa v mřížce pomocí výpočtů ke stanovení stupně plnění, při kterém by různé polohy elektronů vytvářely krystaly.
Posledním problémem bylo, jak vlastně zjistit, zda jsou jejich předpovědi správné, pozorováním Wignerových krystalů nebo jejich nepřítomnosti.
“Chcete-li vytvořit elektronický krystal, musíte vytvořit správné podmínky a zároveň reagovat na vnější vlivy,” řekl Mack.
“Potřebujete dobrý způsob, jak je prozkoumat.” Neobtěžujte je příliš jejich zkoumáním. “
Tento problém byl vyřešen použitím izolačních vrstev hexagonálního nitridu boru. Optický senzor byl umístěn velmi blízko (ale nedotýkal se) vzorku, ve vzdálenosti pouze jednoho nanometru, odděleného vrstvou nitridu boru. To zabraňovalo elektrické komunikaci mezi sondou a vzorkem při zachování dostatečné blízkosti pro vysokou citlivost detekce.
Uvnitř molatské superlattice jsou elektrony uspořádány v různých krystalových konfiguracích, včetně trojúhelníkových Wignerových krystalů, proužkových fází a dimerů.
Tento úspěch je důležitý nejen pro studium elektronických krystalů. Získaná data ukazují nevyužitý potenciál moaré superlattic pro výzkum v oblasti kvantové fyziky.
„Naše studie,“ uvedli vědci ve svém příspěvku, „položí základy pro použití moaré superlattic k modelování kvantových problémů s více těly, které jsou popsány dvojrozměrným rozšířeným Hubbardovým modelem nebo spinovými modely s interakcemi náboj – náboj a výměna na velké vzdálenosti.“
Výzkum je publikován v časopise Nature.
Zdroje: Foto: Izolační stavy v superlattice, ve které jsou umístěny elektrony. (Xu et al., Nature, 2020).
