Znanstvenici u laboratoriju izradili kristal od elektrona
- Objavljeno u Znanost
Elektroni se najčešće ponašaju više ili manje poput tekućine te slobodno teku kroz materijal, no, teoretski fizičar Eugene Wigner je 1934. godine predvidio da bi se skupina elektrona mogla kristalizirati u čvrsti oblik pod određenim uvjetima, formirajući fazu koja je danas poznata kao Wignerov kristal.
Takve strukture su teoretizirane desetljećima, a znanstvenicima ETH Zuricha je sada po prvi puta pošlo za rukom da ih eksperimentalno potvrde u laboratoriju.
Kako biste došli do takvih struktura, trebate postići točno pravu ravnotežu između dviju sila koje utječu na elektrone: njihove elektrostatičke odbojnosti i njihove gibljive energije. Potonji je snažniji učinak koji uzrokuje poskakivanje elektrona nasumce, no ako se to može dovoljno smanjiti kako je predložio Wigner, tada bi odbojnost mogla "zaključati" elektrone u jednoličnu rešetku.
To se pokazalo nezgodnijim nego što možda zvuči. Gustoću elektrona treba smanjiti iznad određene točke, zatvoriti ih u "zamku" i ohladiti gotovo do apsolutne nule, kako bi se smanjio vanjski utjecaj na njihovo kretanje.
Znanstvenici iz ETH Züricha uspjeli su ispuniti sve te zahtjeve kako bi stvorili Wignerov kristal. Kako bi ograničili elektrone, koristili su listić molibendenovog diselenida debljine jednog atoma, čime su ograničili kretanje elektrona na dvije dimenzije. Kako bi kontrolirali broj elektrona, stisnuli su materijal između dvije grafenske elektrode, a cijeli je sustav ohlađen blizu apsolutne nule.
Nakon toga se pojavio Wignerov kristal, no promatranje njega je bio potpuno drugi izazov - problem je u tome što je razdvajanje elektrona toliko sićušno, oko 20 nanometara, da ga mikroskopi ne mogu ni vidjeti. Prethodne studije koje su pokušavale stvoriti Wignerove kristale morale su se oslanjati na neizravne metode kako bi ih otkrile, poput promjena u struji.
Za novo istraživanje tim je koristio novu metodu. Osvjetljavali su svjetlost na materijalu na točno određenoj frekvenciji da pobude ono što se u poluvodiču naziva "eksitonima", odnosno neutralnim kvazičesticama sastavljenim od jednog elektrona i jedne šupljine koji su vezani Coulombovom silom, koje vraćaju svjetlost natrag. U nazočnosti Wignerovih kristala, eksitoni bi se trebali pojaviti stacionarni kada reflektiraju svjetlost natrag.
"Skupina teoretskih fizičara pod vodstvom Eugena Demlera sa Sveučilišta Harvard, koji ove godine prelazi na ETH, teoretski je izračunala kako bi se taj učinak trebao pojaviti u promatranim frekvencijama pobude eksitona, a to je upravo ono što smo primijetili u laboratoriju", kaže Ataç Imamoğlu, vodeći autor studije.
Znanstvenu studiju objevljenu u časopisu Nature možete pronaći na ovoj poveznici.