При звичайних умовах поведінка електронів нагадує поведінку рідини: вони як би перетікають всередині речовини. Однак фізик-теоретик юджин вігнер ще в 1934 році припустив, що при дотриманні необхідних параметрів невелика кількість електронів здатне приймати кристалічну форму — так званий кристал вігнера.
Для отримання цієї форми потрібно домогтися балансу між власною енергією руху електронів і електростатичним відштовхуванням – це дві основні сили, що впливають на електрони і визначають їх безперервний рух всередині речовини.
звична кристалічна решітка утворена з атомів, які не настільки рухливі, як електрони і здатні створювати стійкі структури. Однак вчені довели існування і кристалічної решітки з електронів. Зображення: chuttersnap / unsplash
Енергія руху впливає на електрони сильніше, ніж відштовхування, саме вона змушує їх випадковим чином відскакувати і хаотично рухатися всередині матеріалу. На думку вігнера, при зменшенні енергії руху припинилося б рух електронів, а електростатичне відштовхування «замкнуло» б їх в кристалічну решітку.
Практична реалізація цієї моделі досить складна: для зменшення зовнішнього впливу на електрони і утримання їх в «пастці» кристалічної решітки потрібно знизити кількість електронів до строго певної межі, а також охолодити їх практично до абсолютного нуля.
Зазвичай електрони поводяться як рідина і хаотично переміщаються всередині речовини (малюнок зліва), але за певних умов можуть сформувати кристалічну решітку – кристали вігнера (малюнок праворуч). Зображення: eth zurich
Вперше кристали вігнера були отримані ще в 1979 році — тоді електрони розташовувалися над рідким гелієм. У новому експерименті вчених з швейцарської вищої технічної школи (цюріх) використовувалася тонка пластина напівпровідникового матеріалу селенистого молібдену товщиною в один атом, що дозволило обмежити рух електронів двома площинами. Для зменшення кількості електронів пластину затиснули між графеновими електродами і подали струм невисокої напруги. Потім знизили температуру всієї конструкції так, щоб вона була всього на кілька градусів вище абсолютного нуля (-273,15⁰с). В результаті фізикам вдалося отримати кристал вігнера.
на графічному зображенні кристала вігнера показана кристалічна решітка з електронів (червоного кольору) в напівпропровідниковому матеріалі (блакитного і сірого кольору). Зображення: eth zurich
Однак головна проблема полягала не в створенні нової структури, а в спостереженні за нею. Відстань між електронами становить близько 20 нанометрів і його неможливо побачити в мікроскоп. Тому у всіх попередніх експериментах доказами формування решітки служили непрямі ознаки, наприклад, зміна сили струму.
У новому дослідженні був застосований інший метод: на пластину селенистого молібдену направили світло певної частоти, який впливав на екситони – елементарні квазічастинки, що представляють собою електронне збудження в напівпровіднику. По суті екситон – це пов’язаний стан електрона і дірки (позитивно зарядженої квазічастинки). При впливі світла екситони випромінюють його назад, що дозволяє спостерігати їх безпосередньо.
У своєму звичайному стані екситони мігрують по речовині, як і електрон, хоча на відміну від нього, не переносять заряд або масу. Але при формуванні кристалів вігнера, екситони виглядають на світлі нерухомими. Теоретичну можливість такого ефекту збудження екситонів раніше описали дослідники з гарвардського університету. Саме це змогли спостерігати дослідники з цюріха, і це служить прямим доказом існування кристалічної форми електронів.
