Wetenschap
Kwantumkristal van bevroren elektronen – het Wigner-kristal – wordt voor het eerst gevisualiseerd
Elektronen – de oneindig kleine deeltjes waarvan bekend is dat ze rond atomen vliegen – blijven wetenschappers verbazen, ondanks de meer dan een eeuw dat wetenschappers ze hebben bestudeerd. Nu hebben natuurkundigen van Princeton University de grenzen van ons begrip van deze minuscule deeltjes verlegd door voor het eerst direct bewijs te visualiseren voor wat bekend staat als het Wigner-kristal – een vreemd soort materie dat volledig uit elektronen bestaat. P>
De bevinding, gepubliceerd in Nature, bevestigt een 90 jaar oude theorie dat elektronen zich kunnen samenvoegen tot een eigen kristalachtige formatie, zonder dat ze zich rond atomen hoeven te verenigen. Het onderzoek zou kunnen helpen leiden tot de ontdekking van nieuwe kwantumfasen van materie wanneer elektronen zich collectief gedragen.
"Het Wigner-kristal is een van de meest fascinerende kwantumfasen van materie die is voorspeld en het onderwerp van talloze onderzoeken die beweren op zijn best indirect bewijs te hebben gevonden voor de vorming ervan", zegt Al Yazdani, de James S. McDonnell Distinguished University. Hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Princeton en senior auteur van het onderzoek. "Door dit kristal te visualiseren kunnen we niet alleen de vorming ervan bekijken, waardoor veel van zijn eigenschappen worden bevestigd, maar we kunnen het ook bestuderen op manieren die je in het verleden niet kon bestuderen."
In de jaren dertig schreef Eugene Wigner, hoogleraar natuurkunde aan Princeton en winnaar van de Nobelprijs van 1963 voor zijn werk op het gebied van kwantumsymmetrieprincipes, een artikel waarin hij het toen revolutionaire idee naar voren bracht dat interactie tussen elektronen zou kunnen leiden tot hun spontane rangschikking in een kristalachtige configuratie, of rooster, van dicht opeengepakte elektronen. Dit zou alleen kunnen gebeuren, zo theoretiseerde hij, vanwege hun wederzijdse afstoting en onder omstandigheden van lage dichtheden en extreem koude temperaturen.
"Als je aan een kristal denkt, denk je doorgaans aan een aantrekkingskracht tussen atomen als een stabiliserende kracht, maar dit kristal ontstaat puur vanwege de afstoting tussen elektronen", zegt Yazdani, de inaugurele mededirecteur van het Princeton Quantum Institute en directeur van het Princeton Center for Complex Materials.
Lange tijd bleef Wigners vreemde elektronenkristal echter binnen het domein van de theorie. Pas tijdens een reeks veel latere experimenten transformeerde het concept van een elektronenkristal van vermoeden naar realiteit. De eerste hiervan werd uitgevoerd in de jaren zeventig, toen wetenschappers van Bell Laboratories in New Jersey een 'klassiek' elektronenkristal creëerden door elektronen op het oppervlak van helium te spuiten en ontdekten dat deze op een rigide manier reageerden als een kristal.
De elektronen in deze experimenten bevonden zich echter erg ver uit elkaar en gedroegen zich meer als individuele deeltjes dan als een samenhangende structuur. Een echt Wigner-kristal zou, in plaats van de bekende wetten van de natuurkunde in de wereld van alledag te volgen, de wetten van de kwantumfysica volgen, waarin de elektronen zich niet als individuele deeltjes zouden gedragen, maar meer als een enkele golf.
Dit leidde in de daaropvolgende decennia tot een hele reeks experimenten die verschillende manieren voorstelden om kwantum Wigner-kristallen te creëren. Deze experimenten werden enorm vooruitstrevend in de jaren tachtig en negentig, toen natuurkundigen ontdekten hoe ze de beweging van elektronen konden beperken tot atomair dunne lagen met behulp van halfgeleiders.
De toepassing van een magnetisch veld op dergelijke gelaagde structuren zorgt er ook voor dat elektronen in een cirkel bewegen, waardoor gunstige omstandigheden voor kristallisatie ontstaan. Deze experimenten konden het kristal echter nooit rechtstreeks waarnemen. Ze konden het bestaan ervan alleen maar suggereren of indirect afleiden uit de manier waarop elektronen door de halfgeleider stromen.
"Er zijn letterlijk honderden wetenschappelijke artikelen die deze effecten bestuderen en beweren dat de resultaten te wijten moeten zijn aan het Wigner-kristal," zei Yazdani, "maar dat weet je niet zeker omdat geen van deze experimenten het kristal daadwerkelijk ziet." P>
Een even belangrijke overweging, merkte Yazdani op, is dat wat sommige onderzoekers denken dat het bewijs is dat een Wigner-kristal het resultaat kan zijn van onvolkomenheden of andere periodieke structuren die inherent zijn aan de materialen die in de experimenten zijn gebruikt.
"Als er onvolkomenheden of een vorm van periodieke onderstructuur in het materiaal zitten, is het mogelijk om elektronen op te vangen en experimentele handtekeningen te vinden die niet te wijten zijn aan de vorming van een zelfgeorganiseerd geordend Wigner-kristal zelf, maar aan het 'vastzitten' van elektronen. in de buurt van een onvolkomenheid of gevangen vanwege de structuur van het materiaal", zei hij.
Met deze overwegingen in het achterhoofd gingen Yazdani en zijn onderzoeksteam kijken of ze het Wigner-kristal rechtstreeks in beeld konden brengen met behulp van een scanning tunneling microscoop (STM), een apparaat dat afhankelijk is van een techniek die 'kwantumtunneling' wordt genoemd in plaats van licht om de kristallen te bekijken. atomaire en subatomaire wereld.
Ze besloten ook om grafeen te gebruiken, een verbazingwekkend materiaal dat in de 21e eeuw werd ontdekt en is gebruikt in veel experimenten met nieuwe kwantumfenomenen. Om het experiment succesvol uit te voeren, moesten de onderzoekers het grafeen echter zo ongerept en zo vrij mogelijk van onvolkomenheden maken. Dit was de sleutel tot het elimineren van de mogelijkheid dat zich elektronenkristallen zouden vormen als gevolg van materiële onvolkomenheden.
De resultaten waren indrukwekkend. "Onze groep heeft ongekend schone monsters kunnen maken die dit werk mogelijk hebben gemaakt", zei Yazdani. "Met onze microscoop kunnen we bevestigen dat de monsters geen atomaire onvolkomenheden in het atoomrooster van grafeen of vreemde atomen op het oppervlak vertonen in gebieden met honderdduizenden atomen."
Om puur grafeen te maken, exfolieerden de onderzoekers twee koolstofplaten van grafeen in een configuratie die Bernal-stacked bilayer grafeen (BLG) wordt genoemd. Vervolgens koelden ze het monster af tot extreem lage temperaturen – slechts een fractie van een graad boven het absolute nulpunt – en legden een magnetisch veld loodrecht op het monster aan, waardoor een tweedimensionaal elektronengassysteem ontstond binnen de dunne lagen grafeen. Hiermee konden ze de dichtheid van de elektronen tussen de twee lagen afstemmen.
"In ons experiment kunnen we het systeem in beeld brengen terwijl we het aantal elektronen per oppervlakte-eenheid afstemmen", zegt Yen-Chen Tsui, een afgestudeerde student natuurkunde en de eerste auteur van het artikel. "Alleen al door de dichtheid te veranderen, kun je deze faseovergang initiëren en ontdekken dat elektronen zich spontaan vormen tot een geordend kristal."
Dit gebeurt, legde Tsui uit, omdat bij lage dichtheden de elektronen ver van elkaar verwijderd zijn - en ze bevinden zich op een ongeordende, ongeorganiseerde manier. Naarmate je echter de dichtheid vergroot, waardoor de elektronen dichter bij elkaar komen, treden hun natuurlijke afstotende neigingen in werking en beginnen ze een georganiseerd rooster te vormen. Naarmate u de dichtheid verder verhoogt, zal de kristallijne fase smelten tot een elektronenvloeistof.
Minhao He, een postdoctoraal onderzoeker en co-eerste auteur van het artikel, legde dit proces gedetailleerder uit. "Er is een inherente afstoting tussen de elektronen", zei hij. ‘Ze willen elkaar wegduwen, maar in de tussentijd kunnen de elektronen niet oneindig uit elkaar liggen vanwege de eindige dichtheid. Het resultaat is dat ze een dicht opeengepakte, geregulariseerde roosterstructuur vormen, waarbij elk van de gelokaliseerde elektronen een bepaalde hoeveelheid in beslag neemt. van de ruimte."
Toen deze overgang zich vormde, konden de onderzoekers deze visualiseren met behulp van de STM. "Ons werk levert de eerste directe beelden van dit kristal op. We hebben bewezen dat het kristal er echt is, en we kunnen het zien", zegt Tsui.
Het visualiseren van het kristal was echter niet het einde van het experiment. Door een concreet beeld van het kristal konden ze enkele kenmerken van het kristal onderscheiden. Ze ontdekten dat het kristal een driehoekige configuratie heeft en dat het continu kan worden afgestemd op de dichtheid van de deeltjes. Dit leidde tot het besef dat het Wigner-kristal eigenlijk vrij stabiel is over een zeer lange afstand, een conclusie die in strijd is met wat veel wetenschappers hebben vermoed.
"Door de roosterconstante continu te kunnen afstemmen, bewees het experiment dat de kristalstructuur het resultaat is van de pure afstoting tussen de elektronen", aldus Yazdani.
De onderzoekers ontdekten ook verschillende andere interessante fenomenen die in de toekomst ongetwijfeld verder onderzoek zullen rechtvaardigen. Ze ontdekten dat de locatie waar elk elektron zich in het rooster bevindt, in de beelden met een zekere mate van 'vervaging' verschijnt, alsof de locatie niet wordt gedefinieerd door een punt, maar door een bereikpositie waarin de elektronen in het rooster zijn opgesloten. . Het artikel beschreef dit als de "nulpunt"-beweging van elektronen, een fenomeen dat verband houdt met het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. De omvang van deze onscherpte weerspiegelt de kwantumaard van het Wigner-kristal.
"Elektronen zouden, zelfs wanneer ze bevroren zijn in een Wigner-kristal, een sterke nulpuntsbeweging moeten vertonen", zegt Yazdani. "Het blijkt dat deze kwantumbeweging een derde van de afstand tussen hen bestrijkt, waardoor het Wigner-kristal een nieuw kwantumkristal is."
Yazdani en zijn team onderzoeken ook hoe het Wigner-kristal smelt en overgaat in andere exotische vloeibare fasen van op elkaar inwerkende elektronen in een magnetisch veld. De onderzoekers hopen deze fasen in beeld te brengen, net zoals ze het Wigner-kristal in beeld hebben gebracht.