Neue Erkenntnisse bestätigen 90 Jahre alte Theorie zur Anordnung von Elektronen ohne Atome
Normalerweise sieht man Elektronen um ihre Atome herumflattern, doch ein Team von Physikern hat die Teilchen nun in einem ganz anderen Zustand abgebildet: aneinandergedrängt in einer Quantenphase, einem sogenannten Wigner-Kristall, ohne Atomkern in ihrem Inneren.
Die Phase ist nach Eugene Wigner benannt, der vorhergesagt im Jahr 1934 dass Elektronen in einem Gitter kristallisieren würden, wenn bestimmte Wechselwirkungen zwischen ihnen stark genug sind. Das aktuelle Team nutzte hochauflösende Rastertunnelmikroskopie um den vorhergesagten Kristall direkt abzubilden. Ihre Forschung ist veröffentlicht diese Woche in der Natur.
„Der Wigner-Kristall ist eine der faszinierendsten Quantenphasen von Materie, die vorhergesagt wurde, und Gegenstand zahlreicher Studien, die behaupten, bestenfalls indirekte Beweise für seine Entstehung gefunden zu haben“, sagte Ali Yazdani, Physiker an der Princeton University und leitender Autor der Studie, in einem Universitätsseminar. freigeben.
Elektronen stoßen sich gegenseitig ab: Sie gehen einander aus dem Weg. In den 1970er Jahren entdeckte ein Team der Bell Laboratories einen Elektronenkristall geschaffen indem sie die Partikel auf Helium sprühten, beobachteten sie und beobachteten die Elektronen sich wie ein Kristall verhielten. Aber dieses Experiment blieb im klassischen Bereich steckenbleiben. Das jüngste Experiment erzeugte nach Angaben des Teams einen „echten Wigner-Kristall“, weil die Elektronen im Gitter eher wie eine Welle funktionierten und nicht wie einzelne aneinander haftende Partikel.
Wigners Theorie besagt, dass diese Quantenphase der Elektronen nicht trotz, sondern aufgrund der gegenseitigen Abstoßung der Teilchen auftreten würde. Sie würde jedoch nur bei sehr kalten Temperaturen und unter Bedingungen geringer Dichte auftreten. Im neuen Experiment platzierte das Team Elektronen zwischen zwei Graphenschichten, die zuvor gründlich von Material befreit worden waren. mperfections. Dann kühlten sie die Proben und legten ein senkrechtes Magnetfeld darauf an. Die höchste Magnetfeldstärke betrug 13,95 Tesla $TSLA und die niedrigste Temperatur war 210 Millikelvin. Indem die Elektronen in ein Magnetfeld gebracht werden, wird ihre Bewegung weiter eingeschränkt und damit die Chance erhöht dass sie kristallisieren.
„Es gibt eine inhärente Abstoßung zwischen den Elektronen“, sagt Minhao He, ein Forscher an der Princeton University und Co-Erstautor der Arbeit, in der gleichen Pressemitteilung. „Sie wollen sich gegenseitig wegstoßen, aber in der Zeit können die Elektronen aufgrund der begrenzten Dichte nicht unendlich weit von einander abweichen. Das Ergebnis ist , dass sie eine dicht gepackte, regelmäßige Gitterstruktur bilden, in der jedes lokalisierte Elektron einen bestimmten Raum einnimmt.“
Das Team war überrascht, dass der Wigner-Kristall über einen längeren Zeitraum stabil blieb als erwartet. Bei höheren Dichten jedoch wich die kristalline Phase einer Elektronenflüssigkeit. Als nächstes hoffen die Forscher abzubilden, wie die Wigner-Kristallphase unter einem Magnetfeld anderen Elektronenphasen weicht.
Dies sind aufregende Zeiten für das Studium exotischer Materialien, von Den zweiten Wärmeklang genau untersuchen zu Zeitkristalle, die länger bestehen als je zuvor. Indem Physiker die Materie an ihren Extremitäten erforschen, werden sie die Stoffe begreifen, aus unser Universum besteht, und die rätselhaften Gesetze, denen sie gehorchen, besser verstehen.
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