În anul 1934, fizicianul teoretician Eugene Wigner a propus un nou tip de cristal.

Dacă densitatea electronilor, încărcați electric negativ, ar putea fi menținută sub un anumit nivel, atunci particulele subatomice ar putea fi reținute într-un model care se repetă, rezultând un cristal de electroni.

Un astfel de cristal este cunoscut sub numele de cristal Wigner.

Cristalul Wigner a fost observat experimental, pentru prima dată, în anul 1979, atunci când cercetătorii au măsurat o tranziție de fază lichid-electron într-una cristal-electron folosind heliu. De atunci astfel de cristale au fost detectate de mai multe ori.

Evident, nu este uşor de obţinut o fază în care electronii să stea suficient de liniștiți pentru a crea cristale. Cu toate acestea, o echipă de fizicieni a demonstrat recent o nouă metodă de obţinere a cristalelor de electroni.

Cristalele convenționale, cum ar fi diamantul sau cuarțul, sunt formate dintr-o rețea de atomi dispuși într-o structură de rețea fixă, tridimensională. Conform ideii lui Wigner, electronii ar putea fi aranjați într-un mod similar, pentru a forma o fază cristalină solidă, numai dacă aceştia ar fi staționari.

Dacă densitatea electronilor este suficient de scăzută, atunci respingerea Coulomb dintre electroni, care au aceeași sarcină electrică, produce o energie potențială care ar trebui să depăşească energia lor cinetică, rezultând electroni practic nemișcați.

Cristale de electroni

Credit: Yang Xu, Nature

„Electronii sunt particule cuantice. Chiar dacă nu le faceți nimic, ei vibrează, în mod spontan, tot timpul.

Un cristal de electroni ar avea de fapt tendința de a se dezintegra, deoarece este foarte greu de menţinut electronii într-un model periodic”, a declarat fizicianul Kin Fai Mak de la Universitatea Cornell.

Încercările de a crea cristale Wigner se bazează, așadar, pe un fel de capcană de electroni, cum ar fi câmpuri magnetice puternice sau tranzistoare cu un singur electron.

Se presupune că în anul 2018, oamenii de știință de la MIT, care încercau să creeze un tip de izolator, ar fi realizat un cristal Wigner, dar rezultatele lor nu au fost concludente.

Cristal Wigner

Cristal Wigner. Credit: Departamentul de Fizică al UCSD

Capcana de electroni a oamenilor de ştiinţă de la MIT a constat dintr-o structură de grafen, cunoscută sub numele de rețea Moiré, formată din două grile bidimensionale suprapuse unde se formează modele regulate mari, așa cum se poate vedea în imaginea de mai sus.

Echipa de la Universitatea Cornell, condusă de fizicianul Yang Xu, a folosit o rețea Moiré specială. Pentru cele două straturi semiconductoare, cercetătorii au folosit disulfură de wolfram (WS2) și diselenură de wolfram (WSe2) obţinute, într-un mod special, la Universitatea Columbia.

Atunci când au fost suprapuse, cele două straturi au produs un model hexagonal, ceea ce le-a permis cercetătorilor să controleze gradul mediu de ocupare a electronilor în reţeaua Moiré.

Următorul pas a fost plasarea, cu atenție, a electronilor în locuri specifice din rețea, folosind calcule pentru a determina raportul de ocupare astfel încât aranjamentele electronilor să formeze cristale.

Provocarea finală a fost verificarea predicțiilor, observând formarea cristalelor Wigner sau lipsa acestora.

„Trebuie respectate condițiile potrivite pentru a crea un cristal de electroni care este foarte fragil.

Avem nevoie de o metodă bună de a-l sonda, deoarece cristalul nu trebuie perturbat semnificativ în timp ce este sondat”, a declarat Kin Fai Mak.

Această problemă a fost rezolvată cu ajutorul unor straturi izolante de nitrură de bor hexagonală.

Un senzor optic a fost amplasat foarte aproape de probă (fără s-o atingă) la o distanță de doar un nanometru, separat de un strat de nitrură de bor. Astfel s-a evitat cuplajul electric între senzor și probă, menținând în același timp o proximitate suficientă pentru o sensibilitate ridicată de detecţie.

Acest aranjament le-a permis cercetătorilor să sondeze eșantionul într-un mod sigur, detectând în reţeaua Moiré electroni dispuși într-o varietate de configurații de cristale, inclusiv cristale Wigner triunghiulare, faze de bandă și dimeri.

Această realizare nu are implicații doar pentru studierea cristalelor de electroni. Descoperirile oamenilor de ştiinţă demonstrează potențialul neexploatat al rețelelor Moiré pentru cercetarea fizicii cuantice.

Traducere după Physicists Devise a Brilliant Way to Make And Observe Elusive Electron Crystals