Nakon 86 godina, fizičari su uspjeli stvoriti elektronički kristal

Nakon 86 godina, fizičari su uspjeli stvoriti elektronički kristal

1934. teoretski fizičar Eugene Wigner predložio je postojanje nove vrste kristala.

Ako bi se gustina negativno nabijenih elektrona mogla održavati ispod određenog nivoa, subatomske čestice bi se mogle zadržati u ponavljajućem uzorku, stvarajući elektronski kristal; ova ideja postala je poznata kao Wignerov kristal.

Mnogo je lakše reći nego učiniti. Elektroni su nervozni i izuzetno ih je teško natjerati da ostanu na mjestu. Međutim, grupa fizičara to je sada postigla – zatvarajući vrckave male ukosnice između para 2D poluprovodničkih slojeva volframa.

Uobičajeni kristali poput dijamanata ili kvarca nastaju od rešetke atoma formirajući fiksnu, trodimenzionalnu, ponavljajuću mrežnu strukturu. Prema Wignerovoj ideji, elektroni bi mogli biti raspoređeni na sličan način da tvore čvrstu kristalnu fazu, ali samo ako bi elektroni bili stacionarni.

Ako je gustina elektrona dovoljno mala, Coulomova odbojnost između elektrona istog naboja stvara potencijalnu energiju koja mora dominirati kinetičkom energijom, a elektrone ostavlja nepomičnim. To je poteškoća.

'Elektroni su kvantno mehanički. Čak i ako s njima ništa ne učinite, oni spontano oklijevaju cijelo vrijeme '', rekao je fizičar Keen Fay Mak sa Sveučilišta Cornell.

“Kristal elektrona bi zapravo imao tendenciju da se topi, jer je toliko teško održati elektrone fiksnim u periodičnoj strukturi.”

Stoga se pokušaji stvaranja Wignerovih kristala oslanjaju na neku vrstu zamke elektrona, poput moćnih magnetskih polja ili jednoelektronskih tranzistora, ali fizičari još nisu uspjeli u potpunoj kristalizaciji. 2018. godine naučnici s MIT-a pokušavajući stvoriti vrstu izolatora umjesto toga stvorili su Wignerov kristal, ali njihovi su rezultati ostavili prostora za interpretaciju.

(Odsjek za fiziku UCSD-a).

MIT zamka bila je grafenska struktura poznata kao moiré superrattice, gdje se dvije dvodimenzionalne rešetke preklapaju jedna uz drugu laganim uvijanjem i pojavljuju se veći, pravilni uzorci, kao što je prikazano na gornjoj slici.

Sada je Cornellov tim, predvođen fizičarom Yang Xuom, zauzeo ciljaniji pristup s vlastitom moiré superratkom. Za svoja dva poluprovodnička sloja koristili su volfram-disulfid (WS2) i volfram-diselenid (WSe2) posebno uzgajane na Univerzitetu Columbia.

Kada su postavljeni jedan na drugi, ovi slojevi su formirali heksagonalni obrazac, što je omogućilo naučnicima da kontrolišu prosječnu pokretljivost elektrona u bilo kojem datom moiré području.

Sljedeći korak bio je pažljivo postavljanje elektrona na određena mjesta u rešetki, koristeći proračune za određivanje stupnja punjenja pri kojem bi različiti položaji elektrona formirali kristale.

Posljednji problem bio je kako zapravo promatrati Wignerove kristale ili njihovo odsustvo vidjeti jesu li njihova predviđanja točna.

“Da biste stvorili elektronički kristal, morate stvoriti prave uvjete, a oni istovremeno reagiraju na vanjske utjecaje”, rekao je Mack.

'Treba vam dobar način da ih istražite. Ne gnjavi ih previše pregledavajući ih. '

Ovaj problem riješen je upotrebom izolacijskih slojeva heksagonalnog bor nitrida. Optički senzor postavljen je vrlo blizu (ali ne dodirujući) uzorak, na udaljenosti od samo jednog nanometra, odvojene slojem bor-nitrida. Ovo je spriječilo električnu komunikaciju između sonde i uzorka, zadržavajući pritom dovoljnu blizinu za visoku osjetljivost detekcije.

Unutar moireve superrešetke elektroni su raspoređeni u različitim konfiguracijama kristala, uključujući trokutaste Wignerove kristale, trakaste faze i dimere.

Ovo postignuće važno je ne samo za proučavanje elektroničkih kristala. Dobijeni podaci pokazuju neiskorišteni potencijal moiré-ovih superrešetki za istraživanje u polju kvantne fizike.

“Naša studija”, napisali su istraživači u svom radu, “polaže temelje za upotrebu moiré-ovih superrešetki za modeliranje kvantnih problema s više tijela, koji su opisani dvodimenzionalnim proširenim Hubbardovim modelom ili spin modelima sa dugotrajnim interakcijama naelektrisanja i naelektrisanja.”

Istraživanje je objavljeno u časopisu Nature.

Izvori: Foto: Izolacijska stanja u superrešetki u kojoj se nalaze elektroni. (Xu i dr., Priroda, 2020).

Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: