Ученые впервые сфотографировали кристаллы Вигнера. Рассказываем что это такое и как физикам это удалось

Наша планета удивительна. Жизнь на ней настолько разнообразна, что существует множество тел и веществ, как естественных (животные и люди, планеты и звезды) так и искусственных (созданных человеком). Эти вещества и тела бывают твердыми и жидкими, например, вода и кристаллы. Последние особенно интересны, так как представляют собой твердые тела, атомы в которых расположены закономерно, образуя так называемую кристаллическую решетку. По сути, естественное состояние кристалла – это форма правильных симметричных многогранников, которая основана на их внутренней структуре. То есть на одном из нескольких определенных и регулярных расположений, составляющих вещество частиц (ионов, атомов и молекул). Согласитесь, действительно интересно. Именно так в 1934 году размышлял Юджин Вигнер, один из основателей теории симметрии в квантовой механике. Он предсказал, что электроны в материалах теоретически могут выстраиваться в правильные кристаллические структуры, благодаря тому, что отталкиваются друг от друга. Таким образом, если энергия кристаллического отталкивания между парой электронов больше, чем энергия их движения, то их расположение приведет к тому, что полная энергия будет наименьшей, а мы получим систему, аналогичную твердому телу.

Физики сделали первое в истории изображение кристалла Вигнера — странного материала с ячеистым рисунком внутри другого материала, полностью состоящего из электронов.

Кристаллы Вигнера

Несмотря на размышления знаменитого физика, его кристаллы на протяжении десятилетий оставались исключительно теоретической конструкцией. Причина заключается в том, что Вигнеровские кристаллы могут образовываться только при экстремально низких температурах и малом количестве свободных электронов в материале.

Напомним, что энергия движения электронов значительно превосходит энергию электростатических взаимодействий. Этот фактор не позволяет упорядочить частицы, которые во много тысяч раз легче атомов, в единую систему.

Лауреат Нобелевсеой премии, физик-теоретик Юджин Вигнер.

Вопрос, поставленый Вигнером, долгое время являлся ведущим вызовом в области физики конденсированного вещества: в обычных условиях внутри проводника электроны практически не взаимодействуют друг с другом. Но стоит изменить условия, как электроны начинают «замерзать», превращаясь в систему, аналогичную твердому телу. Однако запечатлеть такой кристалл на камеру невероятно трудно, так что авторам нового исследования пришлось применить творческий подход.

Создать то, чего нет

Авторам нового исследования, опубликованного в журнале Nature 29 сентября, удалось (хоть и не впервые) создать максимально правдоподобный кристалл Вигнера и даже изучить его свойства. Собранные учеными визуальные данные являются наиболее убедительным доказательством существования этих удивительных объектов.

В прошлом многие исследователи создавали кристаллы Вигнера, и Nature News отмечает, что у них были некоторые убедительные доказательства. Так, летом этого года сразу три отдельные группы исследователей создали кристалл, полностью состоящий из электронов.

Захватывающее первое изображение кристалла Вигнера показывает электроны, сжатые в плотный повторяющийся узор, словно крошечные крылья голубой бабочки.

Чтобы понять, как физикам удалось создать Вигнеровский кристалл, напомним, что внутри обычных проводников, таких как серебро или медь, или полупроводников, таких как кремний, электроны проносятся так быстро, что едва успевают взаимодействовать друг с другом. Но при очень низких температурах они замедляются и начинают «ползать», а отталкивание между отрицательно заряженными электронами начинает преобладать. Таким образом, эти невероятно быстрые и подвижные частицы останавливаются и выстраиваются в повторяющийся, похожий на соты узор, при этом сводя к минимуму общее потребление энергии.

Чтобы лицезреть создание Вигнеровского кристалла, исследователи работали с полупроводниками толщиной в один атом, охлажденными до сверхнизких температур: физики поймали электроны в зазор между слоями толщиной в атом двух вольфрамовых полупроводников. Затем, проложив электрическое поле поперек зазора (чтобы избавиться от любых потенциально разрушительных избыточных электронов), ученые охладили свой «электронный сэндвич» до 5 градусов выше абсолютного нуля. И о чудо – некогда быстрые электроны остановились, оседая в повторяющейся структуре кристалла Вигнера.

Физики обрели способность замедлять движение электронов, превращая их в кристаллическую структуру.

Затем, с помощью устройства под названием сканирующий туннельный микроскоп (STM), исследователи просмотрели получившийся кристалл. Как пишет Live Science, STM работают, подавая небольшое напряжение на острый металлический наконечник, прежде чем запустить его прямо над материалом.

Это заставляет электроны прыгать с наконечника на поверхность материала. Скорость, с которой электроны отскакивают от наконечника, зависит от того, что находится под ними, поэтому исследователи могут создать изображение контуров 2D-поверхности, похожих на шрифт Брайля, путем измерения тока, протекающего по поверхности в каждой точке, – сообщают авторы научной работы.

Однако ток, обеспечиваемый STM, поначалу был слишком велик для тонкого электронного льда, «плавя» его при контакте. Чтобы остановить это, ученые вставили одноатомный слой графена прямо над кристаллом Вигнера, позволяя кристаллу взаимодействовать с графеном. Это взаимодействие, в свою очередь, может спокойно считывать STM (почти как ксерокс).

Только представьте – кристалл, состоящий из электронов действительно существует.

Зачем нужны кристаллы Вигнера?

Итак, получив убедительные доказательства существования этих удивительных объектов, ученые могут использовать их для поисков ответов на вопросы о том, как несколько электронов взаимодействуют друг с другом, например, почему кристаллы располагаются в виде сот и как они «плавятся». Ответы на эти вопросы могут подарить нам представление о некоторых из самых неуловимых свойств крошечных частиц.

Способность приручать электроны — чего ученые достигли, используя мельчайшие различия в атомных структурах двух слоев вольфрама — знаменует собой невероятное экспериментальное достижение, которое до сих пор ускользало от самых опытных лабораторий в области физики.

Что же открытий в квантовой механике, то тут также можно ожидать новостей – квантовые флуктуации вблизи абсолютного нуля вызывают квантово-фазовые переходы между свободно текущими жидкостями и квантовыми кристаллами, такими как кристаллы Вигнера. Считается, что эти квантовые переходы важны во многих других квантовых системах.

Кристалл электронов Вигнера (красный) внутри полупроводникового материала.

Как только авторы нового исследования получили кристалл Вигнера и начали изучать его свойства, их коллеги из Гарварда решили подвергнуть полученную структуру «квантовому плавлению», которое, по-видимому, похоже на обычное плавление, но в таком малом масштабе, что и представить едва ли возможно. И все же, несмотря на возникающие сложности, первый снимок Вигнеровского кристалла однозначно продвинет исследования вперед.

Так, например, уже известно, что кристаллы Вигнера незначительно изменили электронную структуру графена, которую мог уловить сканирующий туннельный микроскоп STM. Чтобы убедиться, что они создали именно кристалл Вигнера, физикам пришлось пинговать его отдельными фотонами, выбивая электрон и создавая так называемый «экситон», который они смогли обнаружить.

Новое открытие находится прямо на границе материи, переходящей от частично квантового материала к частично классическому материалу, и обладает многими необычными и интересными явлениями и свойствами, – пишет Quana Magazine со ссылкой на авторов исследования.

Кристаллы представляют огромный интерес для ученых из самых разных областей науки.

И все же, чтобы окончательно понять, что предсавляют собой кристаллы Вигнера и где им можно найти применение, потребуется немало времени. Но мы, вроде, никуда не торопимся. К тому же, Вигнеровские кристаллы – далеко не единственные. О том, что такое кристаллы времени и почему ученые ими одержимы, я рассказывала в этой статье, рекомендую к прочтению.

Источник