Elektronen sind wunderbare kleine Dinge. Sie kreisen oft um Atomkerne, müssen es aber nicht, denn das Universum ist voller loser Elektronen, die überall umherwandern.
Vor neunzig Jahren entdeckte der theoretische Physiker Eugene Wigner Schlagen Sie es vor Und sie mussten auch nicht darüber reden, dass die freien Elektronen sich zu einer seltsamen Art von Materie zusammenballen könnten, die überhaupt keine Atome enthielt, sondern nur Elektronen, die durch ihre eigene Abstoßung in einem eleganten Kristallgitter gefangen waren.
Dies ist als Wigner-Kristall bekannt, und Physiker haben endlich direkte Beobachtungsbeweise dafür erhalten, dass es ihn geben könnte.
„Der Wigner-Kristall ist eine der faszinierendsten Quantenphasen der Materie, die jemals vorhergesagt wurde, und Gegenstand zahlreicher Studien, die behaupten, bestenfalls indirekte Beweise für seine Entstehung gefunden zu haben.“ Sagt der Physiker Yazdani Von der Princeton University.
„Die Visualisierung dieses Kristalls ermöglicht es uns nicht nur, seine Entstehung zu beobachten und viele seiner Eigenschaften zu bestätigen, sondern wir können ihn auch auf eine Weise untersuchen, wie wir ihn in der Vergangenheit nicht untersuchen konnten.“
Unter Kristallinität versteht man die Art und Weise, wie Atome in einem Festkörper angeordnet sein können. In typischen kristallinen Materialien sind Atome so miteinander verbunden, dass sie im Raum ein sich wiederholendes Muster bilden.
Wegeners bahnbrechender Arbeit aus dem Jahr 1934 schlug vor, dass Elektronen ähnliche Anordnungen bilden könnten, unterstützt – nicht behindert – durch gegenseitige Abstoßung aufgrund der negativen Ladung, die alle Elektronen tragen.
Bei sehr niedrigen Temperaturen und geringen Dichten führt die abstoßende Wechselwirkung zwischen Elektronen, so argumentiert er, dazu, dass ihre potentielle Energie gegenüber ihrem Verstärkungsbedarf überwiegt, was dazu führt, dass sie in kristallähnliche Gitteranordnungen fallen.
Diese Kristalle verhalten sich nicht gemäß der klassischen Physik, sondern gemäß der Quantenmechanik, bei der sich gebundene Elektronen nicht wie separate Teilchen, sondern wie eine einzelne Welle verhalten. Durch verschiedene Experimente mit zweidimensionalen Systemen, die darauf abzielten, die Folgen dieses Verhaltens zu ermitteln, gelang es, indirekte Beweise für die Existenz von Wegener-Kristallen zu erhalten, direkte Beweise waren jedoch etwas schwieriger zu erhalten.
„Es gibt Hunderte von wissenschaftlichen Arbeiten, die diese Effekte untersuchen und behaupten, dass die Ergebnisse auf die Wigner-Kristallisation zurückzuführen sein müssen.“ Sagt Yazdani„Aber man kann nicht sicher sein, weil keines dieser Experimente den Kristall tatsächlich sehen konnte.“
Unter Berücksichtigung der Nachteile solcher Experimente entwarf ein Team unter der Leitung der Physiker Yin Zhen Cui, Minhao He und Yuen Hu von der Princeton University ein Experiment, von dem sie hofften, dass es die vorherigen Probleme lösen und den Kristall enthüllen würde.
Sie nutzten Magnetfelder, um die Wigner-Elektronenkristallisation in Graphen zu induzieren, aber nicht in irgendeinem alten Graphen. Das Material musste möglichst rein sein, um mögliche Auswirkungen atomarer Defekte auszuschließen.
Zwei Graphenschichten wurden hergestellt und in einer bestimmten Konfiguration angeordnet, bevor sie auf über den absoluten Nullpunkt abgekühlt wurden. Anschließend wurde ein Magnetfeld angelegt, um die Dichte des zwischen den Schichten eingeschlossenen Elektronengases einzustellen.
Der Wigner-Kristall enthält einen Sweet Spot mit Elektronendichte. Wenn die Dichte zu gering ist, stoßen sich die Elektronen gegenseitig weg und bewegen sich sozusagen weg. Wenn die Dichte zu hoch ist, verklumpen die Elektronen und bilden E-Liquid.
Am Goldlöckchen-Punkt werden Elektronen versuchen, sich gegenseitig abzustoßen … aber ihr Entweichen wird von anderen Elektronen abgeschnitten. Sie ordnen sich also in einem Raster an und halten so viel Abstand wie möglich voneinander.
Um diese kristalline Phase zu messen, verwendeten die Forscher hochauflösende Rastertunnelmikroskopie (STM), um es zu messen. STM nutzt Quantentunneln, um Materialien auf atomarer Ebene zu erforschen, wo optische Mikroskopie völlig unzugänglich ist.
„In unserem Experiment können wir das System abbilden und gleichzeitig die Anzahl der Elektronen pro Flächeneinheit anpassen. Nur durch eine Änderung der Dichte kann man diesen Phasenübergang einleiten und feststellen, dass sich die Elektronen spontan zu einem geordneten Kristall formen.“ Tsui erklärt.
„Unsere Arbeit liefert die ersten direkten Bilder dieses Kristalls. Wir haben bewiesen, dass der Kristall tatsächlich existiert und wir ihn sehen können.“
Ihre Messungen bestätigten auch Modelle, die das Gitter als dreieckig beschreiben, wenn es auf einen zweidimensionalen Raum beschränkt ist, obwohl sie herausfanden, dass es dort stabil bleiben kann, wo die Dichte in hohem Maße abgestimmt ist – was früheren Theorien widerspricht, dass der Dichtebereich sehr klein sein muss . . Sie fanden auch heraus, dass Elektronen keinen einzelnen Punkt im Gitter besetzen, sondern eine unscharfe Reihe von Positionen, die als beschrieben werden Nullpunktbewegung.
„Selbst wenn die Elektronen in einem Wigner-Kristall eingefroren sind, sollten sie am Nullpunkt eine starke Bewegung zeigen.“ Sagt Yazdani. „Es stellt sich heraus, dass diese Quantenbewegung ein Drittel der Distanz zwischen ihnen zurücklegt, was den Wigner-Kristall zu einem neuen Quantenkristall macht.“
Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Natur.
