Voor de eerste keer, MIT-natuurkundigen hebben een zeer geordend kristal van elektronen in een halfgeleidend materiaal waargenomen en het smelten ervan gedocumenteerd, net als ijs dat in water ontdooit. De waarnemingen bevestigen een fundamentele faseovergang in de kwantummechanica die meer dan 80 jaar geleden theoretisch werd voorgesteld, maar tot nu toe niet experimenteel werd gedocumenteerd.

Het team, onder leiding van MIT-hoogleraar natuurkunde Raymond Ashoori en zijn postdoc Joonho Jang, gebruikte een spectroscopietechniek ontwikkeld in de groep van Ashoori. De methode is gebaseerd op elektronen "tunneling, " een kwantummechanisch proces waarmee onderzoekers elektronen met precieze energieën in een interessant systeem kunnen injecteren - in dit geval een systeem van elektronen gevangen in twee dimensies. De methode maakt gebruik van honderdduizenden korte elektrische pulsen om een ​​elektronenlaag te onderzoeken in een halfgeleidend materiaal dat is afgekoeld tot extreem lage temperaturen. net boven het absolute nulpunt.

Met hun tunneltechniek, de onderzoekers schoten elektronen in het onderkoelde materiaal om de energietoestanden van elektronen in de halfgeleidende plaat te meten. Tegen een achtergrondonscherpte, ze ontdekten een scherpe piek in de gegevens. Na veel analyse, ze stelden vast dat de piek het precieze signaal was dat zou worden afgegeven door een zeer geordend kristal van elektronen die tegelijk trillen.

Naarmate de groep de dichtheid van elektronen verhoogde, ze in wezen in steeds strakkere delen in het vel verpakt, ze ontdekten dat de datapiek omhoog schoot naar hogere energieën, verdween toen geheel, precies bij een elektronendichtheid waarbij is voorspeld dat een elektronisch kristal smelt.

De onderzoekers geloven dat ze eindelijk het proces van het smelten van kwantum hebben vastgelegd - een faseovergang in de kwantummechanica, waarin elektronen die puur door hun kwantuminteracties een kristallijne structuur hebben gevormd, samensmelten tot een meer ongeordende vloeistof, als reactie op kwantumfluctuaties in hun dichtheid.

"We zagen iets radicaal nieuws, " zegt Ashoori. "Er zijn veel mensen die al heel lang op zoek zijn naar een demonstratie van het smelten van elektronische kristallen, en ik denk dat we het hebben gedaan."

Ashoori en Jang publiceerden hun resultaten vorige week in het tijdschrift Natuurfysica . Hun co-auteurs zijn voormalig MIT-postdoc Benjamin Hunt, en Loren Pfeiffer en Kenneth West van Princeton University.

Een kristalliserend idee

Het idee voor een kristal van elektronen werd voor het eerst voorgesteld in 1934 door de Hongaars-Amerikaanse natuurkundige Eugene Wigner. Normaal gesproken, halfgeleidende metalen zoals silicium en aluminium zijn in staat om elektriciteit te geleiden in de vorm van elektronen die met bliksemsnelle pingpongen, het creëren van een stroom door het materiaal.

Echter, bij ultrakoude temperaturen, elektronen in deze metalen zouden bijna tot stilstand moeten komen, omdat er nog maar heel weinig warmte over is om hun bewegingen te stimuleren. Alle bewegingen die elektronen vertonen, dan, zou het gevolg moeten zijn van kwantuminteracties - de onzichtbare krachten tussen individuele elektronen en andere kwantum-, subatomische deeltjes.

elektronen, negatief geladen zijn, stoten elkaar natuurlijk af. Wigner stelde voor dat voor onderkoelde elektronen bij lage dichtheden, hun wederzijdse afstotende krachten zouden als een soort schavot moeten werken, de elektronen bij elkaar houden maar toch uit elkaar op gelijke afstanden van elkaar, waardoor een kristal van elektronen ontstaat. Zo'n strakke regeling, dat sindsdien is bedacht als een Wigner-kristal, zou een metaal in een isolator moeten veranderen in plaats van een elektrische geleider.

Door een kwantumtunnel

Sinds het voorstel van Wigner, anderen hebben geprobeerd een Wigner-kristal in het lab te observeren, met onduidelijke resultaten. Voor hun deel, Ashoori en Jang waren oorspronkelijk niet op zoek naar een Wigner-kristal, maar in plaats daarvan wilden ze gewoon een tweedimensionale laag elektronen onderzoeken met behulp van hun elektronentunneltechniek.

Het afgelopen decennium is de groep heeft zijn techniek ontwikkeld en verbeterd, waarbij elektronen door een barrière worden geschoten om de energietoestanden van een materiaal aan de andere kant te onderzoeken. De kwantummechanica dicteert dat er een kans is dat elk object in het universum een ​​schijnbaar ondoordringbare barrière kan passeren of "tunnelen" en er aan de andere kant onveranderd uit komt.

Dit idee is de sleutel tot de tunneltechniek van de onderzoekers, waarin ze elektronen door een halfgeleidende barrière schieten, naar een onderliggende tweedimensionale elektronenplaat. Daar, de tunnelende elektronen kunnen trillingen veroorzaken in de omringende elektronen, de energieën waarvan onderzoekers kunnen meten, gezien de bekende energieën van de tunnelende elektronen.

Een "toevallige ontdekking"

In hun experimenten, het team onderzocht een halfgeleidende plaat van galliumarsenide onder een barrière van aluminiumgalliumarsenide. De onderzoekers koelden het hele monster af tot slechts een fractie boven het absolute nulpunt en pasten pulsen van elektronen toe met verschillende energieën, analyseerde vervolgens de resulterende gegevens.

Toen Jang de zeer scherpe piek in de gegevens opmerkte, hij bladerde door eerdere theoretische literatuur om de functie te verklaren en kwam uiteindelijk tot de conclusie dat de piek, gezien de temperatuur en elektronendichtheid waarbij het is gevormd, kan alleen een signatuur zijn voor een kristal van elektronen die tegelijk trillen.

"Veel van de theoretische voorspellingen kwamen overeen met onze waarnemingen, zodat, wij dachten, was een rokend pistool, " zegt Jang. "We hebben het rinkelen van een elektronenkristal waargenomen."

De onderzoekers gingen nog een stap verder om te zien wat er zou gebeuren als ze de dichtheid van elektronen in de tweedimensionale plaat zouden veranderen. Naarmate de dichtheid toenam, de vibratie-energieën van het elektronenkristal deden dat ook, uiteindelijk pieken, dan verdwijnen op het exacte punt waarop theorieën hebben voorspeld dat een kristal zou moeten smelten. Het kristal van elektronen, de onderzoekers vermoedden, moet zo dicht zijn geworden dat de hele structuur afbrokkelde tot een meer wanordelijke, vloeibare toestand.

"Niemand heeft ooit met dit soort resolutie naar dit systeem gekeken, " zegt Ashoori. "Het was een totaal toevallige ontdekking."

Het team werkt eraan om de resolutie van zijn elektronentunneltechniek nog verder te verbeteren, in de hoop het te gebruiken om de specifieke vormen van elektronenkristallen te onderscheiden.

"Verschillende kristallen hebben verschillende vibraties, en als we een betere oplossing hadden, we zouden kunnen bepalen of er bepaalde pieken in de trillingscurve zijn die verschillende modi betekenen, of vormen, "zegt Ashoori. "Er is reden om aan te nemen dat we dat met de tijd kunnen bepalen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.