Физики создали странный "кристалл Вигнера", состоящий исключительно из электронов

Однозначное открытие кристалла Вигнера основывалось на новой технике исследования внутреннего строения сложных материалов.

В 1934 году Юджин Вигнер, пионер квантовой механики, выдвинул теорию о странном виде материи - кристалле из электронов. Идея была проста, но доказать ее было нелегко. На протяжении восьми десятилетий физики пытались разными способами подтолкнуть электроны к формированию так называемых кристаллов Вигнера, но успех был ограниченным. Однако в июне две независимые группы физиков сообщили в журнале Nature о самых прямых экспериментальных наблюдениях кристаллов Вигнера.

"Кристаллизация Вигнера - это такая старая идея", - сказал Брайан Скиннер, физик из Университета штата Огайо, который не принимал участия в работе. "Увидеть это в таком чистом виде было очень приятно".

Чтобы заставить электроны сформировать кристалл Вигнера, физику, казалось бы, нужно просто охладить их. Электроны отталкиваются друг от друга, поэтому охлаждение уменьшит их энергию и заморозит их в решетку, как вода превращается в лед. Однако холодные электроны подчиняются странным законам квантовой механики - они ведут себя как волны. Вместо того чтобы закрепиться на месте в аккуратной упорядоченной решетке, волнообразные электроны стремятся перемешаться и врезаться в своих соседей. То, что должно быть кристаллом, превращается в нечто, больше похожее на лужу.

Одна из групп, ответственных за новую работу, обнаружила кристалл Вигнера почти случайно. Исследователи из группы под руководством Хонгкуна Парка из Гарвардского университета экспериментировали с поведением электронов в "сэндвиче" из исключительно тонких листов полупроводника, разделенных материалом, через который электроны не могли двигаться. Физики охладили этот полупроводниковый сэндвич до температуры ниже -230 градусов Цельсия и играли с количеством электронов в каждом из слоев.

Команда заметила, что когда в каждом слое было определенное количество электронов, все они загадочным образом оставались неподвижными. "Каким-то образом электроны внутри полупроводников не могли двигаться. Это была действительно удивительная находка", - сказал Ю Чжоу, ведущий автор нового исследования.

Чжоу поделился своими результатами с коллегами-теоретиками, которые в итоге вспомнили о старой идее Вигнера. Вигнер рассчитал, что электроны в плоском двумерном материале будут иметь рисунок, похожий на пол, идеально покрытый треугольными плитками. Такой кристалл полностью останавливает движение электронов.

В кристалле Чжоу силы отталкивания между электронами в каждом слое и между слоями работали вместе, чтобы расположить электроны в треугольную решетку Вигнера. Эти силы были достаточно сильны, чтобы предотвратить рассыпание электронов, предсказанное квантовой механикой. Но такое поведение происходило только тогда, когда количество электронов в каждом слое было таким, что верхняя и нижняя кристаллические решетки выравнивались: Меньшие треугольники в одном слое должны были точно заполнять пространство внутри больших треугольников в другом. Парк назвал соотношение электронов, которое привело к таким условиям, "признаками двухслойных кристаллов Вигнера".

Поняв, что у них в руках кристалл Вигнера, гарвардцы заставили его расплавиться, вынудив электроны принять свою квантово-волновую природу. Плавление кристалла Вигнера - это квантовый фазовый переход, подобный тому, как кубик льда превращается в воду, но без какого-либо нагрева. Теоретики ранее предсказали условия, необходимые для этого процесса, но новый эксперимент является первым, который подтвердил это прямыми измерениями. "Было очень, очень интересно увидеть в экспериментальных данных то, о чем мы узнали из учебников и статей", - сказал Парк.

Прошлые эксперименты обнаружили намеки на кристаллизацию Вигнера, но новые исследования предлагают самые прямые доказательства благодаря новой экспериментальной технике. Исследователи облучали полупроводниковые слои лазерным светом, чтобы создать частицу, подобную экситону. Затем материал отражал или переизлучал этот свет. Анализируя свет, исследователи могли определить, взаимодействовали ли экситоны с обычными свободно летящими электронами или с электронами, замороженными в кристалле Вигнера. "У нас есть прямое доказательство существования кристалла Вигнера", - сказал Парк. "Вы можете видеть, что это кристалл, который имеет треугольную структуру".

Вторая исследовательская группа под руководством Атача Имамоглу из Швейцарского федерального технологического института Цюриха также использовала эту технику для наблюдения за образованием кристалла Вигнера.

Новая работа освещает печально известную проблему множества взаимодействующих электронов. Когда вы помещаете много электронов в маленькое пространство, все они давят друг на друга, и становится невозможно уследить за всеми взаимно переплетающимися силами.

Филипп Филлипс, физик из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, который не участвовал в эксперименте, назвал кристаллы Вигнера архетипом всех подобных систем. Он отметил, что единственная проблема, связанная с электронами и электрическими силами, которую физики умеют решать с помощью ручки и бумаги, - это проблема одного электрона в атоме водорода. В атомах с еще одним электроном проблема предсказания того, что будут делать взаимодействующие электроны, становится неразрешимой. Проблема многих взаимодействующих электронов долгое время считалась одной из самых сложных в физике.

В дальнейшем команда из Гарварда планирует использовать свою систему для ответа на нерешенные вопросы о кристаллах Вигнера и сильно коррелированных электронах. Один из открытых вопросов - что именно происходит, когда кристалл Вигнера плавится; существует множество конкурирующих теорий. Кроме того, команда наблюдала кристаллы Вигнера в своем полупроводниковом сэндвиче при более высоких температурах и для большего числа электронов, чем предсказывали теоретики. Изучение причин этого может привести к новому пониманию поведения сильно коррелированных электронов.

Юджин Демлер, теоретик из Гарварда, участвовавший в обоих новых исследованиях, считает, что эта работа разрешит старые теоретические споры и вдохновит на новые вопросы. "Всегда гораздо легче работать над проблемой, когда можно найти ответы в конце книги", - сказал он. "А наличие дополнительных экспериментов - это как поиск ответа".