Спустя 86 лет физики смогли создать электронный кристалл
В 1934 году физик-теоретик Юджин Вигнер предложил существование нового типа кристалла.
Если бы плотность отрицательно заряженных электронов могла бы поддерживаться ниже определенного уровня, субатомные частицы могли бы удерживаться в повторяющемся узоре, создав электронный кристалл; эта идея стала известна как кристалл Вигнера.
Однако намного легче сказать, чем сделать. Электроны суетливы, и заставить их находиться на месте чрезвычайно сложно. Тем не менее, группа физиков теперь достигла этого — заключив извивающиеся маленькие шпильки между парой двумерных полупроводниковых слоев вольфрама.
Обычные кристаллы, такие как алмазы или кварц, образуются из решетки атомов, образующих фиксированную трехмерную повторяющуюся сетчатую структуру. Согласно идее Вигнера, электроны можно было бы расположить аналогичным образом, чтобы сформировать твердую кристаллическую фазу, но только если бы электроны были неподвижными.
Если плотность электронов достаточно мала, кулоновское отталкивание между электронами с одинаковым зарядом создает потенциальную энергию, которая должна доминировать над кинетической энергией, в результате чего электроны остаются неподвижными. В этом и заключается трудность.
«Электроны квантово-механические. Даже если с ними ничего не делать, они все время спонтанно колеблются», — сказал физик Кин Фай Мак из Корнельского университета.
«Кристалл электронов на самом деле имел бы тенденцию плавиться, потому что так трудно удерживать электроны фиксированными в периодической структуре».
Поэтому попытки создать кристаллы Вигнера опираются на своего рода ловушку для электронов, такую как мощные магнитные поля или одноэлектронные транзисторы, но полная кристаллизация до сих пор не удавалась физикам. В 2018 году ученые Массачусетского технологического института, пытающиеся создать тип изолятора, вместо этого создали кристалл Вигнера, но их результаты оставили место для интерпретации.
Ловушкой Массачусетского технологического института была структура графена, известная как муаровая сверхрешетка, где две двумерные сетки накладываются друг на друга с небольшим поворотом и появляются более крупные регулярные узоры, как показано на изображении выше.
Теперь команда Корнелла, возглавляемая физиком Ян Сюй, использовала более целенаправленный подход с собственной муаровой сверхрешеткой. Для своих двух полупроводниковых слоев они использовали дисульфид вольфрама (WS2) и диселенид вольфрама (WSe2), специально выращенные в Колумбийском университете.
При наложении эти слои образовывали гексагональный узор, что позволяло ученым контролировать среднюю подвижность электронов в любом конкретном муаровом участке.
Следующим шагом было аккуратно разместить электроны в определенных местах решетки, используя расчеты для определения степени заполнения, при которой различные расположения электронов будут формировать кристаллы.
Последняя проблема заключалась в том, как на самом деле увидеть, верны ли их прогнозы, наблюдая кристаллы Вигнера или их отсутствие.
«Чтобы создать электронный кристалл, нужно создать правильные условия, и в то же время они реагируют на внешнее воздействие», — сказал Мак.
«Вам нужен хороший способ исследовать их. Не стоит сильно беспокоить их, исследуя их».
Эта проблема была решена с помощью изолирующих слоев гексагонального нитрида бора. Оптический датчик размещался очень близко (но не касался) образца, на расстоянии всего одного нанометра, разделенных слоем нитрида бора. Это предотвратило электрическую связь между датчиком и образцом, сохраняя при этом достаточную близость для высокой чувствительности обнаружения.
Внутри муаровой сверхрешетки электроны расположены в различных кристаллических конфигурациях, включая треугольные кристаллы Вигнера, полосковые фазы и димеры.
Это достижение имеет значение не только для изучения электронных кристаллов. Полученные данные демонстрируют неиспользованный потенциал муаровых сверхрешеток для исследований в области квантовой физики.
«Наше исследование, — написали исследователи в своей статье, — закладывает основу для использования муаровых сверхрешеток для моделирования квантовых задач мнжества тел, которые описываются двумерной расширенной моделью Хаббарда или спиновыми моделями с дальнодействующим зарядом — зарядовые и обменные взаимодействия».
Исследование опубликовано в журнале Nature.
Источники: Фото: Изолирующие состояния в сверхрешетке, в которой размещены электроны. (Xu et al., Nature, 2020).
