Wanneer elektronen die elkaar afstoten in een kleine ruimte zijn opgesloten, ze kunnen een geordende kristallijne toestand vormen die bekend staat als een Wigner-kristal. Het fragiele kristal observeren is lastig, omdat het extreme omstandigheden vereist, waaronder lage temperaturen en dichtheden, evenals niet-invasieve beeldvormende sondes. Om de uitdagende omstandigheden van beeldvorming te overwinnen, I. Shapir en een onderzoeksteam in de afdelingen Natuurkunde en Gecondenseerde Materie in Israël, Roemenië en Hongarije creëerden omstandigheden in een koolstofnanobuis (NT) om de elektronen te huisvesten. Ze volgden deze experimentele stap door een tweede nanobuisje als een sonde (genaamd "probe NT") te gebruiken om de eerste nanobuis (genaamd "systeem NT") te scannen. De natuurkundigen maten de elektronische dichtheden en toonden hun consistentie met theoretische voorspellingen om kleine Wigner-kristallen van maximaal zes elektronen in één dimensie (1-D) te demonstreren. De resultaten zijn nu gepubliceerd in Wetenschap .

Meer dan 80 jaar geleden, natuurkundige Eugene Wigner voorspelde het kwantumkristal van elektronen, die een van de meest ongrijpbare toestanden van materie blijft. In het huidige werk, Shapir en collega's ontwikkelden een techniek om het Wigner-kristal direct in 1-D af te beelden door de ladingsdichtheid ervan in de echte ruimte af te beelden. Ze verkregen beelden van een paar elektronen opgesloten in 1-D die overeenkwamen met de theoretische voorspellingen voor sterk interagerende kristallen. De wetenschappers bekeken de kwantumaard van het kristal met behulp van collectieve tunneling door een elektrische potentiaalbarrière die is opgesloten met elektrisch onafhankelijke poorten. Het werk leverde direct bewijs voor de vorming van kleine Wigner-kristallen, de weg vrijmaken om fragiele interagerende toestanden van elektronen te bestuderen door hun veellichamendichtheid in de echte ruimte in beeld te brengen.

In zijn artikel uit 1934, natuurkundige Eugene Wigner voorspelde dat wanneer Coulomb-interacties op lange afstand in een systeem van elektronen de kinetische energie en wanorde domineerden, ze zouden tevoorschijn komen in een kristallijne grondtoestand. Waar de elektronen uit elkaar werden gehouden, ongeacht hun kwantumgetal. Experimentele natuurkundigen begonnen daarna te zoeken naar dit kwantumkristal in de schoonste beschikbare elektronische systemen, waaronder vloeibaar helium en laagdimensionale heterostructuren van halfgeleiders.

Natuurkundigen hadden eerder metingen gedaan in tweedimensionale (2-D) elektronische systemen met betrekking tot transport, magnetron velden, nucleaire magnetische resonantie, optisch, tunneling en dubbellaagse elektronensystemen om het bestaan ​​van een kristal bij hoge magnetische velden aan te geven. Het observeren van een kristallijne toestand in één dimensie (1-D), in een oneindig systeem is onverwacht, omdat thermische en kwantumfluctuaties de orde op lange afstand kunnen vernietigen. Echter, in eindige systemen, natuurkundigen hadden de theoretische eendimensionale Wigner-kristaltoestand bestudeerd, aangezien de quasi-langeafstandsorde kristallijne correlaties produceerde. Experimentele fysici volgden deze waarneming met experimenteel sonderen via transportmetingen, maar de experimenten konden alleen macroscopische eigenschappen van deze toestand onderzoeken.

In principe, er is een geschikt beeldvormingsinstrument nodig om de ondubbelzinnige vingerafdruk van een Wigner-kristal in zijn real-space-structuur te observeren. Wetenschappers gebruikten daarom scanningsonde-experimenten, hoewel ze alleen de niet-interagerende toestand konden afbeelden of invasieve gating door de sonde konden laten zien. De metingen benadrukten de inherente moeilijkheid van het afbeelden van elektroneninteracties met conventionele scanmethoden. Om elektronen individueel op te lossen en te identificeren, een macroscopische, metalen of diëlektrische punt moet de elektronen dichter benaderen dan hun onderlinge scheiding. Hoe dan ook, dergelijke tips en hun interacties kunnen de toestand die wordt bestudeerd sterk vervormen. Wetenschappers hadden daarom een ​​andere scansonde nodig om een ​​interactief toestand of elektronensysteem in beeld te brengen.

In het huidige werk, Shapir et al. introduceerde een scanningsondeplatform dat een koolstofnanobuis (NT) gebruikte als een zeer gevoelige, maar minimaal invasieve scanningsonde om de veellichamendichtheid van sterk interagerende elektronen te bekijken. Het platform bevatte een op maat gemaakte scanningsondemicroscoop die werkte bij cryogene temperaturen (~ 10 mK) waar twee tegenover elkaar liggende NT-apparaten dicht bij elkaar konden worden gebracht en langs elkaar konden worden gescand. De wetenschappers gebruikten één apparaat om het systeem NT te hosten als het bestudeerde 1-D-platform, en het tweede apparaat loodrecht daarop om de sonde NT te bevatten. Ze assembleerden de twee apparaten met behulp van een nanoassemblagetechniek om ongerepte NT's te vormen die boven een reeks metalen poorten waren opgehangen.

De wetenschappers handhaafden cruciaal sterke interacties en een lage wanorde in het systeem om een ​​Wigner-kristal te verkrijgen door de NT's ver boven de metalen poorten op 400 nm op te hangen. Vervolgens ontwierpen ze met 10 elektrisch onafhankelijke poorten een potentiaal dat de elektronen opsloot tussen twee barrières op 1 µm van elkaar, ze centraal lokaliseren in een lange hangende nanobuis, uit de buurt van contacten om ongewenste interacties te voorkomen.

Shapir et al. gebruikte zeer ondoorzichtige barrières om hybridisatie van de golffunctie van het opgesloten elektron met die van de elektronen in de rest van het NT te voorkomen. Aangezien het vervoer in deze situatie sterk onderdrukt was, de wetenschappers onderzochten de opgesloten elektronen met behulp van een ladingsdetector op een afzonderlijk segment van hetzelfde NT. Het sonde NT-apparaat dat afzonderlijk in het onderzoek werd gebruikt, behield een bijna identieke structuur, die alleen verschilden door de ophanglengte van 1,6 µm en het aantal poorten (drie).

De wetenschappers demonstreerden het werkingsprincipe dat ten grondslag ligt aan de beeldvormingstechniek die bekend staat als de "scanlading, " te beginnen met de eenvoudigste experimenten over het afbeelden van de ladingsverdeling van een enkel elektron opgesloten in een 1-D-box. Shapir et al. maten de energetische respons van het systeem op een gescande verstoring (agitatie) en bepaalden direct de dichtheidsverdeling van het systeem. Door het meten van de energie van het systeem als functie van de sonde NT, de wetenschappers hebben het dichtheidsprofiel van het elektron direct opgelost. Bij het meten van de energie, de wetenschappers verwezen naar de Fermi-energie in de leidingen en schreven de verstoring die door de sondes werd veroorzaakt toe aan de scheiding tussen de twee NT's en aan de opgesloten lading in de sonde NT.

Shapir et al. verkregen zes panelen in de experimenten om de differentiële dichtheid aan te geven van de zes elektronen die aan het systeem NT zijn toegevoegd. Voor minimale verstoringen, ze voerden alle scans uit met één elektron in de sonde NT. De afgebeelde dichtheidsprofielen verschilden duidelijk van die voorspeld door de fysica van één deeltje, maar kwamen overeen met die van een sterk interactief kristal. Wanneer Shapir et al. verhoogde het aantal elektronen, de elektronenafstand verminderd, hoewel hun algehele snelheid toenam om elektronen aan te duiden die opgesloten waren in een "doos" met zachte wanden. De resulterende beelden leverden direct, real-space observaties van de elektronische Wigner-kristallen.

Om de metingen kwantitatief te begrijpen, Shapir et al. voerde DMRG-berekeningen (density matrix renormalization group) uit en omvatte Coulomb-interacties op lange afstand. De gemeten elektronposities (beschouwd als groene sterren) kwamen goed overeen met die voorspeld door DMRG, het plaatsen van de waargenomen kristallen ruim binnen het sterk interagerende regime in de experimentele opstelling. Om de kwantumaard van het Wigner-kristal te begrijpen, Shapir et al. heeft de tunnelkarakteristieken van het kristal gemeten en verwachtte dat de correlaties tussen de elektronen in een kristal ervoor zouden zorgen dat het kristal collectief door een barrière zou tunnelen. Ze zagen dat de differentiële dichtheid van tunnels interessanter werd in een systeem met meer dan één elektron, omdat het directe vingerafdrukken van collectieve beweging vertoonde.

Op deze manier, Shapir et al. gebruikte een nieuwe methode om de ruimtelijke ordening van op elkaar inwerkende elektronen direct in beeld te brengen. Op basis van de resultaten, ze anticiperen op de mogelijkheid om aanvullende basisvragen met betrekking tot het kwantumelektronische kristal te beantwoorden, inclusief de aard van zijn magnetische ordening. Het scanplatform ontwikkeld door Shapir et al. zal verdere verkenning mogelijk maken van een zeer breed scala van canonieke interagerende elektronentoestanden van materie die voorheen buiten het bereik van beeldvorming lagen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk