Onderzoekers van ETH Zürich zijn erin geslaagd een kristal waar te nemen dat alleen uit elektronen bestaat. Dergelijke Wigner-kristallen werden al bijna negentig jaar geleden voorspeld, maar konden nu pas direct in een halfgeleidermateriaal worden waargenomen.

Kristallen hebben mensen door de eeuwen heen gefascineerd. Wie heeft niet ooit de complexe patronen van een sneeuwvlok bewonderd, of de perfect symmetrische oppervlakken van een bergkristal? De magie stopt niet, zelfs als je weet dat dit alles het gevolg is van een eenvoudig samenspel van aantrekking en afstoting tussen atomen en elektronen. Een team van onderzoekers onder leiding van Ataç Imamoğlu, professor aan het Institute for Quantum Electronics aan de ETH Zürich, hebben nu een heel bijzonder kristal geproduceerd. In tegenstelling tot normale kristallen, het bestaat uitsluitend uit elektronen. Daarbij, ze hebben een theoretische voorspelling bevestigd die bijna negentig jaar geleden werd gedaan en die sindsdien wordt beschouwd als een soort heilige graal van de fysica van de gecondenseerde materie. Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur .

Een decennia oude voorspelling

"Wat ons enthousiast maakte over dit probleem, is de eenvoud, " zegt Imamoğlu. Al in 1934, Eugene Wigner, een van de grondleggers van de theorie van symmetrieën in de kwantummechanica, toonde aan dat elektronen in een materiaal zich theoretisch in regelmatige, kristalachtige patronen vanwege hun onderlinge elektrische afstoting. De redenering hierachter is vrij eenvoudig:als de energie van de elektrische afstoting tussen de elektronen groter is dan hun bewegingsenergie, ze zullen zich zo inrichten dat hun totale energie zo klein mogelijk is.

Sinds enkele decennia is echter, deze voorspelling bleef puur theoretisch, omdat die "Wigner-kristallen" zich alleen kunnen vormen onder extreme omstandigheden zoals lage temperaturen en een zeer klein aantal vrije elektronen in het materiaal. Dit komt deels doordat elektronen vele duizenden malen lichter zijn dan atomen, wat betekent dat hun bewegingsenergie in een regelmatige opstelling typisch veel groter is dan de elektrostatische energie vanwege de interactie tussen de elektronen.

Elektronen in een vliegtuig

Om die obstakels te overwinnen, Imamoğlu en zijn medewerkers kozen een flinterdun laagje van het halfgeleidermateriaal molybdeendiselenide dat slechts één atoom dik is en waarin, daarom, elektronen kunnen alleen in een vlak bewegen. De onderzoekers konden het aantal vrije elektronen variëren door een spanning aan te brengen op twee transparante grafeenelektroden, waartussen de halfgeleider is ingeklemd. Volgens theoretische overwegingen zouden de elektrische eigenschappen van molybdeendiselenide de vorming van een Wigner-kristal moeten bevorderen, op voorwaarde dat het hele apparaat wordt afgekoeld tot enkele graden boven het absolute nulpunt van min 273,15 graden Celsius.

Echter, alleen het produceren van een Wigner-kristal is niet genoeg. "Het volgende probleem was om aan te tonen dat we Wigner-kristallen in ons apparaat hadden, " zegt Tomasz Smoleński, wie is de hoofdauteur van de publicatie en werkt als postdoc in het laboratorium van Imamoğlu. De scheiding tussen de elektronen werd berekend op ongeveer 20 nanometer, of ruwweg dertig keer kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht en dus onmogelijk op te lossen, zelfs niet met de beste microscopen.

Detectie door excitonen

Een truc gebruiken, de natuurkundigen slaagden erin om ondanks die kleine scheiding in het kristalrooster de regelmatige rangschikking van de elektronen zichtbaar te maken. Om dit te doen, ze gebruikten licht van een bepaalde frequentie om zogenaamde excitonen op te wekken in de halfgeleiderlaag. Excitonen zijn elektronenparen en "gaten" die het gevolg zijn van een ontbrekend elektron in een energieniveau van het materiaal. De precieze lichtfrequentie voor het creëren van dergelijke excitonen en de snelheid waarmee ze bewegen, hangt zowel af van de eigenschappen van het materiaal als van de interactie met andere elektronen in het materiaal - met een Wigner-kristal, bijvoorbeeld.

Door de periodieke rangschikking van de elektronen in het kristal ontstaat een effect dat soms op televisie te zien is. Als een fiets of een auto steeds sneller gaat, boven een bepaalde snelheid lijken de wielen stil te staan ​​en vervolgens de andere kant op te draaien. Dit komt omdat de camera elke 40 milliseconden een momentopname van het wiel maakt. Als in die tijd de regelmatig gespatieerde spaken van het wiel precies de afstand tussen de spaken zijn verschoven, het wiel lijkt niet meer te draaien. evenzo, in aanwezigheid van een Wigner-kristal, bewegende excitonen lijken stationair op voorwaarde dat ze bewegen met een bepaalde snelheid die wordt bepaald door de scheiding van de elektronen in het kristalrooster.

Eerste directe waarneming

"Een groep theoretische fysici onder leiding van Eugene Demler van Harvard University, die dit jaar naar ETH verhuist, had theoretisch berekend hoe dat effect zou moeten verschijnen in de waargenomen excitatiefrequenties van de excitonen - en dat is precies wat we in het laboratorium hebben waargenomen, " zegt Imamoğlu. In tegenstelling tot eerdere experimenten op basis van vlakke halfgeleiders, waarin Wigner-kristallen indirect werden waargenomen door stroommetingen, dit is een directe bevestiging van de regelmatige opstelling van de elektronen in het kristal. In de toekomst, Met hun nieuwe methode hopen Imamoğlu en zijn collega's te onderzoeken hoe Wigner-kristallen precies ontstaan ​​uit een ongeordende 'vloeistof' van elektronen.