1934, natuurkundige Eugene Wigner deed een theoretische voorspelling op basis van de kwantummechanica die 87 jaar ongezien bleef.

De theorie suggereerde hoe een metaal dat normaal elektriciteit geleidt, zou kunnen veranderen in een niet-geleidende isolator wanneer de dichtheid van elektronen wordt verminderd. Wigner theoretiseerde dat wanneer elektronen in metalen naar ultrakoude temperaturen worden gebracht, deze elektronen zouden in hun sporen worden bevroren en een starre, niet-elektriciteit geleidende structuur - een kristal - in plaats van met duizenden kilometers per seconde rond te razen en een elektrische stroom te creëren. Sinds hij het ontdekte, de structuur werd bedacht als een Wigner-kristal en werd voor het eerst waargenomen in 1979.

Wat voor natuurkundigen hardnekkig ongrijpbaar is gebleven, echter, is het smelten van de kristaltoestand in een vloeistof als reactie op kwantumfluctuaties. Minstens, het was:Nu, bijna 90 jaar later, een team van natuurkundigen onder leiding van Hongkun Park en Eugene Demler in de Faculteit der Kunsten en Wetenschappen heeft deze overgang eindelijk experimenteel gedocumenteerd.

Het werk wordt beschreven in een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuur en markeert een grote stap in de richting van het creëren van een systeem voor het bestuderen van dit soort overgangen tussen toestanden van materie op kwantumniveau, een lang gezocht doelpunt in het veld.

"Dit is precies op de grens van de overgang van gedeeltelijk kwantummateriaal naar gedeeltelijk klassiek materiaal en heeft veel ongebruikelijke en interessante verschijnselen en eigenschappen, " zei Eugène Demler, een senior auteur op het papier. "Het kristal zelf is gezien, maar dit, soort van, ongerepte overgang - wanneer kwantummechanica en klassieke interacties met elkaar concurreren - is niet gezien. Het heeft 86 jaar geduurd."

Onder leiding van Park en Demler, het onderzoeksteam concentreerde zich op het observeren van Wigner-kristallen en hun faseovergangen in het onderzoek. In de chemie, natuurkunde, en thermodynamica, faseovergangen vinden plaats wanneer een stof verandert van een vaste stof, vloeistof, of gas naar een andere staat. Wanneer kwantumfluctuaties in de buurt van het absolute nulpunt deze overgangen aansturen, ze worden kwantumfaseovergangen genoemd. Men denkt dat deze kwantumovergangen een belangrijke rol spelen in veel kwantumsystemen.

In het geval van een Wigner-kristal, de overgang van kristal naar vloeistof vindt plaats vanuit een competitie tussen de klassieke en kwantumaspecten van de elektronen - de eerste domineert in de vaste fase, waarin elektronen "deeltjesachtig zijn, " en de laatste domineert in de vloeistof, waarin elektronen "golfachtig" zijn. Voor een enkel elektron, de kwantummechanica vertelt ons dat de aard van de deeltjes en golven complementair zijn.

"Het is opvallend dat, in een systeem van veel op elkaar inwerkende elektronen, deze verschillende gedragingen manifesteren zich in verschillende fasen van de materie, "zei Park. "Om deze redenen, de aard van de elektron vast-vloeistof overgang heeft enorme theoretische en experimentele belangstelling getrokken."

De wetenschappers van Harvard rapporteren dat ze een nieuwe experimentele techniek gebruiken die is ontwikkeld door You Zhou, Jiho Sung, en Elise Brutschea - onderzoekers van de Park Research Group en hoofdauteurs van het artikel - om deze overgang van vast naar vloeibaar in atomair dunne halfgeleiderdubbellagen te observeren. In het algemeen, Wigner-kristallisatie vereist een zeer lage elektronendichtheid, waardoor de experimentele realisatie ervan een grote experimentele uitdaging wordt. Door twee op elkaar inwerkende elektronenlagen te construeren uit twee atomair dunne halfgeleiders, experimentatoren creëerden een situatie waarin de kristallisatie wordt gestabiliseerd bij hogere dichtheden.

Om de overgang te zien, de onderzoekers gebruikten een methode genaamd exciton spectroscopie. Ze gebruiken licht om een ​​elektron in het systeem op te wekken en te binden aan de elektronenleegstand, of gat, het laat achter, het vormen van een waterstofachtig elektron-gatpaar dat bekend staat als een exciton. Dit paar interageert met de andere elektronen in het materiaal en wijzigt de eigenschappen ervan zodat ze optisch gezien kunnen worden.

De bevindingen uit de krant waren grotendeels toevallig en kwamen als een verrassing, volgens de onderzoekers. De Park-groep sloeg aanvankelijk een andere richting in en was verbaasd toen ze merkten dat de elektronen in hun materiaal isolerend gedrag vertoonden. Ze overlegden met theoretici van Demler's lab en realiseerden zich al snel wat ze hadden.

De onderzoekers zijn van plan hun nieuwe methode te gebruiken om andere kwantumfaseovergangen te blijven onderzoeken.

"We hebben nu een experimenteel platform waar al deze [verschillende kwantumfaseovergangen] voorspellingen nu kunnen worden getest, ' zei Demler.