Οι φυσικοί δημιουργούν έναν παράξενο «κρύσταλλο Wigner» κατασκευασμένο αποκλειστικά από ηλεκτρόνια
Το 1934, ο Eugene Wigner, πρωτοπόρος της κβαντομηχανικής, θεώρησε ένα περίεργο είδος ύλης - έναν κρύσταλλο φτιαγμένο από ηλεκτρόνια. Η ιδέα ήταν απλή. αποδεικνύοντας ότι δεν ήταν. Οι φυσικοί δοκίμασαν πολλά κόλπα για οκτώ δεκαετίες για να ωθήσουν τα ηλεκτρόνια να σχηματίσουν αυτούς τους λεγόμενους κρυστάλλους Wigner, με περιορισμένη επιτυχία. Τον Ιούνιο, ωστόσο, δύο ανεξάρτητες ομάδες φυσικών ανέφεραν στο Nature οι πιο άμεσες πειραματικές παρατηρήσεις των κρυστάλλων Wigner.
«Η κρυστάλλωση Wigner είναι μια τόσο παλιά ιδέα», είπε ο Brian Skinner, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο που δεν ασχολήθηκε με την εργασία. "Το να το βλέπω τόσο καθαρά ήταν πολύ ωραίο."
Για να κάνει τα ηλεκτρόνια να σχηματίσουν έναν κρύσταλλο Wigner, μπορεί να φαίνεται ότι ένας φυσικός θα έπρεπε απλώς να τα κρυώσει. Τα ηλεκτρόνια απωθούν το ένα το άλλο και έτσι η ψύξη θα μείωνε την ενέργειά τους και θα τα παγώσει σε ένα πλέγμα ακριβώς όπως το νερό μετατρέπεται σε πάγο. Ωστόσο, τα ψυχρά ηλεκτρόνια υπακούουν στους περίεργους νόμους της κβαντικής μηχανικής - συμπεριφέρονται σαν κύματα. Αντί να στερεώνονται στη θέση τους σε ένα τακτοποιημένο πλέγμα, τα κυματοειδή ηλεκτρόνια τείνουν να γέρνουν γύρω και να συντρίβονται στους γείτονές τους. Αυτό που θα έπρεπε να είναι κρύσταλλος μετατρέπεται σε κάτι περισσότερο σαν λακκούβα.
Μία από τις ομάδες που ήταν υπεύθυνες για τη νέα δουλειά βρήκε έναν κρύσταλλο Wigner σχεδόν τυχαία. Ερευνητές σε μια ομάδα με επικεφαλής τον Hongkun Park στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ πειραματίζονταν με τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων σε ένα «σάντουιτς» εξαιρετικά λεπτών φύλλων ενός ημιαγωγού που χωρίζονται από ένα υλικό στο οποίο τα ηλεκτρόνια δεν μπορούσαν να κινηθούν. Οι φυσικοί ψύξαν αυτό το σάντουιτς ημιαγωγών σε θερμοκρασία κάτω των -230 βαθμών Κελσίου και έπαιξαν με τον αριθμό των ηλεκτρονίων σε καθεμία από τις στιβάδες.
Η ομάδα παρατήρησε ότι όταν υπήρχε ένας συγκεκριμένος αριθμός ηλεκτρονίων σε κάθε στρώμα, όλα έμειναν μυστηριωδώς ακίνητα. «Κάπως έτσι, τα ηλεκτρόνια μέσα στους ημιαγωγούς δεν μπορούσαν να κινηθούν. Αυτό ήταν ένα πραγματικά εκπληκτικό εύρημα», είπε ο You Zhou, επικεφαλής συγγραφέας της νέας μελέτης.
Ο Zhou μοιράστηκε τα αποτελέσματά του με συναδέλφους θεωρητικούς, οι οποίοι τελικά θυμήθηκαν μια παλιά ιδέα του Wigner. Ο Wigner είχε υπολογίσει ότι τα ηλεκτρόνια σε ένα επίπεδο δισδιάστατο υλικό θα έπαιρναν ένα σχέδιο παρόμοιο με ένα δάπεδο τέλεια καλυμμένο με τριγωνικά πλακίδια. Αυτός ο κρύσταλλος θα εμπόδιζε τα ηλεκτρόνια να κινηθούν εντελώς.
Στον κρύσταλλο του Zhou, απωστικές δυνάμεις μεταξύ των ηλεκτρονίων σε κάθε στρώμα και μεταξύ των στιβάδων συνεργάστηκαν για να τακτοποιήσουν τα ηλεκτρόνια στο τριγωνικό πλέγμα του Wigner. Αυτές οι δυνάμεις ήταν αρκετά ισχυρές για να αποτρέψουν τη διαρροή ηλεκτρονίων και τη μείωση που προβλέπεται από την κβαντική μηχανική. Αλλά αυτή η συμπεριφορά συνέβη μόνο όταν ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε κάθε στρώμα ήταν τέτοιος ώστε το επάνω και το κάτω κρυσταλλικό πλέγμα ευθυγραμμίστηκαν:Τα μικρότερα τρίγωνα σε ένα στρώμα έπρεπε να γεμίσουν ακριβώς το χώρο μέσα στα μεγαλύτερα στο άλλο. Ο Park ονόμασε τις αναλογίες ηλεκτρονίων που οδήγησαν σε αυτές τις συνθήκες «ενδεικτικά σημάδια κρυστάλλων Wigner διπλής στοιβάδας».
Αφού συνειδητοποίησαν ότι είχαν έναν κρύσταλλο Wigner στα χέρια τους, η ομάδα του Χάρβαρντ τον έκανε να λιώσει αναγκάζοντας τα ηλεκτρόνια να αγκαλιάσουν την κβαντική κυματική τους φύση. Η τήξη των κρυστάλλων Wigner είναι μια μετάβαση κβαντικής φάσης - μια μετάβαση που μοιάζει με ένα παγάκι που μετατρέπεται σε νερό, αλλά χωρίς καμία θέρμανση. Οι θεωρητικοί προέβλεπαν προηγουμένως τις απαραίτητες συνθήκες για να συμβεί η διαδικασία, αλλά το νέο πείραμα είναι το πρώτο που το επιβεβαιώνει μέσω άμεσων μετρήσεων. "Ήταν πραγματικά, πραγματικά συναρπαστικό να δούμε τι μάθαμε πραγματικά από τα σχολικά βιβλία και τις εργασίες σε πειραματικά δεδομένα", είπε η Park.
Προηγούμενα πειράματα βρήκαν υπαινιγμούς κρυστάλλωσης του Wigner, αλλά οι νέες μελέτες προσφέρουν τις πιο άμεσες αποδείξεις λόγω μιας νέας πειραματικής τεχνικής. Οι ερευνητές ανατίναξαν τα στρώματα ημιαγωγών με φως λέιζερ για να δημιουργήσουν μια οντότητα που μοιάζει με σωματίδιο που ονομάζεται εξίτον. Το υλικό θα αντανακλούσε ή θα επανεκπέμπει αυτό το φως. Αναλύοντας το φως, οι ερευνητές μπορούσαν να πουν εάν τα εξιτόνια είχαν αλληλεπιδράσει με συνηθισμένα ηλεκτρόνια ελεύθερης ροής ή με ηλεκτρόνια παγωμένα σε έναν κρύσταλλο Wigner. «Έχουμε στην πραγματικότητα άμεσες ενδείξεις για έναν κρύσταλλο Wigner», είπε ο Park. "Μπορείτε πραγματικά να δείτε ότι είναι ένας κρύσταλλος που έχει αυτή την τριγωνική δομή."
Η δεύτερη ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον Ataç Imamoğlu στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Ζυρίχης, χρησιμοποίησε επίσης αυτή την τεχνική για να παρατηρήσει το σχηματισμό ενός κρυστάλλου Wigner.
Το νέο έργο φωτίζει το περιβόητο πρόβλημα πολλών ηλεκτρονίων που αλληλεπιδρούν. Όταν βάζετε πολλά ηλεκτρόνια σε ένα μικρό χώρο, όλα πιέζουν το ένα το άλλο και καθίσταται αδύνατο να παρακολουθήσετε όλες τις αμοιβαία αλληλένδετες δυνάμεις.
Ο Philip Phillips, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Illinois, Urbana-Champaign που δεν συμμετείχε στο πείραμα, περιέγραψε τους κρυστάλλους Wigner ως αρχέτυπο για όλα αυτά τα συστήματα. Σημείωσε ότι το μόνο πρόβλημα που αφορά ηλεκτρόνια και ηλεκτρικές δυνάμεις που οι φυσικοί ξέρουν πώς να λύσουν μόνο με στυλό και χαρτί είναι αυτό ενός μόνο ηλεκτρονίου στο άτομο υδρογόνου. Σε άτομα με ακόμη ένα ηλεκτρόνιο, το πρόβλημα της πρόβλεψης του τι θα κάνουν τα αλληλεπιδρώντα ηλεκτρόνια γίνεται δυσεπίλυτο. Το πρόβλημα πολλών ηλεκτρονίων που αλληλεπιδρούν θεωρείται από καιρό ένα από τα πιο δύσκολα στη φυσική.
Στο εξής, η ομάδα του Χάρβαρντ σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει το σύστημά της για να απαντήσει σε εκκρεμείς ερωτήσεις σχετικά με τους κρυστάλλους Wigner και τα ισχυρά συσχετισμένα ηλεκτρόνια. Ένα ανοιχτό ερώτημα είναι τι συμβαίνει, ακριβώς, όταν λιώνει ο κρύσταλλος Wigner. οι ανταγωνιστικές θεωρίες αφθονούν. Επιπλέον, η ομάδα παρατήρησε κρυστάλλους Wigner στο σάντουιτς ημιαγωγών τους σε υψηλότερες θερμοκρασίες και για μεγαλύτερους αριθμούς ηλεκτρονίων από ό,τι προέβλεπαν οι θεωρητικοί. Η διερεύνηση γιατί συνέβη αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες γνώσεις σχετικά με τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων με ισχυρή συσχέτιση.
Ο Eugene Demler, θεωρητικός στο Χάρβαρντ που συνέβαλε και στις δύο νέες μελέτες, πιστεύει ότι το έργο θα διευθετήσει παλιές θεωρητικές συζητήσεις και θα εμπνεύσει νέα ερωτήματα. «Είναι πάντα πολύ πιο εύκολο να δουλέψεις πάνω σε ένα πρόβλημα όταν μπορείς να αναζητήσεις τις απαντήσεις στο τέλος ενός βιβλίου», είπε. "Και το να κάνεις επιπλέον πειράματα είναι σαν να ψάχνεις την απάντηση."
