Prve slike molekularnih kristala elektrona

Wignerovi molekularni kristali važni su jer mogu pokazivati ​​nova svojstva transporta i vrtnje koja bi mogla biti korisna za buduće kvantne tehnologije kao što su kvantne simulacije.

Elektroni obično putuju velikim brzinama, jureći nevezano kroz materiju. U 1930-ima, fizičar Eugene Wigner predvidio je da se elektroni mogu nagovoriti na mirovanje pri niskim gustoćama i niskim temperaturama, formirajući elektronski led koji će kasnije biti nazvan Wignerov kristal.

Devedeset godina kasnije, 2021., tim predvođen Feng Wangom i Michaelom Crommiejem, višim fakultetskim znanstvenicima Berkeley Laba u Odjelu za materijale i profesorima fizike s američkog sveučilišta u Kaliforniji UC Berkeley, pružio je izravne dokaze da ti elektronski kristali postoje.

Sada su Wang, Crommie i njihovi timovi snimili izravne slike nove kvantne faze elektronskog krutog tijela, Wignerovog molekularnog kristala, a njihova otkrića objavljena su u časopisu Science.

Dok Wignerove kristale ili elektronski led karakterizira saćasti raspored elektrona, Wignerovi molekularni kristali imaju visoko uređen uzorak umjetnih "molekula" napravljenih od dva ili više elektrona.

"Prvi smo koji smo izravno promatrali ovu novu kvantnu fazu, što je bilo prilično neočekivano", rekao je Wang. "Prilično je uzbudljivo."

Dugi niz godina znanstvenici su pokušavali uhvatiti izravne slike Wignerovog molekularnog kristala, a u novoj studiji, istraživači Berkeley Laba uspjeli su to postići minimiziranjem električnog polja iz STM (pretražni mikroskop s tuneliranjem) vrha, što je napredak koji im je omogućio da vide delikatnu elektroničku strukturu Wignerovog molekularnog kristala.

Tijekom eksperimenata u Wangovom laboratoriju, formirali su nanomaterijal nazvan "superrešetka upletenog volframovog disulfida (tWS 2 ) moire" postavljanjem atomski tankog dvosloja volframovog disulfida (WS 2) na vrh 49-nanometara debelog sloja hBN (heksagonalni bor nitrid) i grafitna stražnja vrata. Slojevi WS 2 naslagani su jedan na drugi pod kutom od 58 stupnjeva.

Koristeći svoju STM tehniku, otkrili su da dopiranje tWS 2 moiré superrešetke s elektronima ispunjava svaku jediničnu ćeliju materijala širine 10 nanometara sa samo dva ili tri elektrona. I u iznenađujućem rezultatu, ove ispunjene jedinične ćelije formirale su niz moiré molekula elektrona kroz superrešetku, što je rezultiralo Wignerovim molekularnim kristalom.

"Niske temperature zajedno s energetskim potencijalom stvorenim tWS 2 moiré superrešetkom lokalno ograničavaju elektrone", objasnio je Wang, dodajući da "međuigra između kvantne mehanike i interakcije elektron-elektron dovodi lokalizirane elektrone u stanja Wignerove molekule."

U budućim eksperimentima, Wang, Crommie i tim se nadaju da će koristiti svoju novu STM tehniku ​​kako bi stekli bolje razumijevanje ove nove kvantne faze i vidjeli do kojih potencijalnih primjena bi to moglo dovesti.