Вчені вперше сфотографували кристали Вігнера. Розповідаємо що це таке і як фізикам це вдалося

Наша планета дивна. Життя на ній настільки різноманітна, що існує безліч тіл і речовин, як природних (тварини і люди, планети і зірки) так і штучних (створених людиною). Ці речовини і тіла бувають твердими і рідкими, наприклад, вода і кристали. Останні особливо цікаві, тому що являють собою тверді тіла, атоми в яких розташовані закономірно, утворюючи так звану кристалічну решітку. По суті, природний стан кристала – це форма правильних симетричних багатогранників, яка заснована на їх внутрішню структуру. Тобто на одному з декількох певних і регулярних розташувань, складових речовина частинок (іонів, атомів і молекул). Погодьтеся, дійсно цікаво. Саме так в 1934 році розмірковував Юджин Вігнер, один із засновників теорії симетрії в квантовій механіці. Він передбачив, що електрони в матеріалах теоретично можуть вибудовуватися в правильні кристалічні структури, завдяки тому, що відштовхуються одна від одної. Таким чином, якщо енергія кристалічного відштовхування між парою електронів більше, ніж енергія їх руху, то їх розташування призведе до того, що повна енергія буде найменшою, а ми отримаємо систему, аналогічну твердому тілу. Це явище отримало назву кристали Вігнера.

Кристали Вігнера

Незважаючи на роздуми знаменитого фізика, його кристали протягом десятиліть залишалися виключно теоретичною конструкцією. Причина полягає в тому, що Вігнерівські кристали можуть утворюватися тільки при екстремально низьких температурах і малій кількості вільних електронів в матеріалі.

Нагадаємо, що енергія руху електронів значно перевершує енергію електростатичних взаємодій. Цей фактор не дозволяє впорядкувати частки, які у багато тисяч разів легше атомів, в єдину систему.

Питання, поставлене Вігнером, довгий час було провідним викликом в галузі фізики конденсованої речовини: в звичайних умовах всередині провідника електрони практично не взаємодіють один з одним. Але варто змінити умови, як електрони починають «замерзати», перетворюючись в систему, аналогічну твердого тіла. Однак відобразити такий кристал на камеру неймовірно важко, так що авторам нового дослідження довелося застосувати творчий підхід.

Вігнерівський кристал – це кристал, електрони в якому строго впорядковані, а потенційна енергії їх зв’язку перевищує кінетичну енергію руху.

Створити те, чого немає

Авторам нового дослідження, опублікованого в журналі Nature 29 вересня, вдалося (хоч і не вперше) створити максимально правдоподібний кристал Вігнера і навіть вивчити його властивості. Зібрані вченими візуальні дані є найбільш переконливим доказом існування цих дивних об’єктів.

У минулому багато дослідників створювали кристали Вігнера, і Nature News зазначає, що у них були деякі переконливі докази. Так, влітку цього року відразу три окремі групи дослідників створили кристал, що повністю складається з електронів.

Щоб зрозуміти, як фізикам вдалося створити Вігнерівський кристал, нагадаємо, що всередині звичайних провідників, таких як срібло або мідь, або напівпровідників, таких як кремній, електрони проносяться так швидко, що ледве встигають взаємодіяти один з одним. Але при дуже низьких температурах вони сповільнюються і починають «плазувати», а відштовхування між негативно зарядженими електронами починає переважати. Таким чином, ці неймовірно швидкі і рухливі частки зупиняються і шикуються в повторюваний, схожий на соті візерунок, при цьому зводячи до мінімуму загальне споживання енергії.

Щоб побачити створення Вігнерівського кристала, дослідники працювали з напівпровідниками товщиною в один атом, охолодженими до наднизьких температур: фізики зловили електрони в зазор між шарами товщиною в атом двох вольфрамових напівпровідників. Потім, проклавши електричне поле поперек зазору (щоб позбутися від будь-яких потенційно руйнівних надлишкових електронів), вчені охолодили свій «електронний сендвіч» до 5 градусів вище абсолютного нуля. І о диво – колись швидкі електрони зупинилися, осідаючи в повторюваної структурі кристала Вігнера.

Потім, за допомогою пристрою під назвою тунельний мікроскоп (STM), дослідники переглянули чи вийшов кристал. Як пише Live Science, STM працюють, подаючи невелику напруга на гострий металевий наконечник, перш ніж запустити його прямо над матеріалом.

Це змушує електрони стрибати з наконечника на поверхню матеріалу. Швидкість, з якою електрони відскакують від наконечника, залежить від того, що знаходиться під ними, тому дослідники можуть створити зображення контурів 2D-поверхні, схожих на шрифт Брайля, шляхом вимірювання струму, що протікає по поверхні в кожній точці, – повідомляють автори наукової роботи.

Однак струм, який забезпечувався б STM, спочатку був занадто великий для тонкого електронного льоду, «плавлячи» його при контакті. Щоб зупинити це, вчені вставили одноатомний шар графена прямо над кристалом Вигнера, дозволяючи кристалу взаємодіяти з графеном. Ця взаємодія, в свою чергу, може спокійно зчитувати STM (майже як ксерокс).

Повністю простеживши зображення, віддруковане на аркуші графену, STM зробив перший знімок кристала Вігнера, довівши його існування поза всякими сумнівами.

Навіщо потрібні кристали Вігнера?

Отже, отримавши переконливі докази існування цих дивних об’єктів, вчені можуть використовувати їх для пошуків відповідей на питання про те, як кілька електронів взаємодіють один з одним, наприклад, чому кристали розташовуються у вигляді сот і як вони «плавляться». Відповіді на ці питання можуть подарувати нам уявлення про деякі з найбільш невловимих властивостей крихітних часток.

Здатність приручати електрони – чого вчені досягли, використовуючи дрібні відмінності в атомних структурах двох шарів вольфраму – знаменує собою неймовірне експериментальне досягнення, яке досі не помічали від найдосвідченіших лабораторій в галузі фізики.

Що ж до відкриттів у квантовій механіці, то тут також можна очікувати новин – квантові флуктуації поблизу абсолютного нуля викликають квантово-фазові переходи між вільно поточними рідинами і квантовими кристалами, такими як кристали Вігнера. Вважається, що ці квантові переходи важливі в багатьох інших квантових системах.

Як тільки автори нового дослідження отримали кристал Вігнера і почали вивчати його властивості, їх колеги з Гарварду вирішили піддати отриману структуру «квантовому плавленню», яке, мабуть, схоже на звичайне плавлення, але в такому малому масштабі, що і уявити чи можливо . І все ж, незважаючи на труднощі, що виникають, перший знімок Вігнеровського кристала однозначно просуне дослідження вперед.