Существует ли электронный лед - кристалл Вигнера

Физикам впервые удалось получить изображение электронного льда – кристаллической решетки электронов, которая также известна как кристалл Вигнера. Ранее имелись только косвенные доказательства того, что подобная структура действительно существует.

В 1934 году физик Юджин Вигнер предсказал, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, и при малой плотности частиц электроны могут прекратить непрерывное движение внутри материи и образовать кристаллическую решетку.

Первая подобная структура была создана еще в 1979 году, а во время недавнего эксперимента исследователи смогли наблюдать свечение неподвижных экситонов, которое свидетельствует о наличии решетки электронного льда. Однако было невозможно увидеть непосредственно сами кристаллы, так как они разрушались при любом внешнем воздействии. Но теперь ученым из Калифорнийского университета в Беркли удалось создать неинвазивный метод наблюдения, при котором решетка электронов не затрагивается и не распадается.

 

Изображение листа графена, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Можно увидеть, что внутри слоев полупроводников сформировался кристалл Вигнера – решетка электронов, напоминающая кристаллы льда. Изображение: Hongyuan Li and Shaowei Li/ Nature

 

Исследователи создали кристаллы Вигнера, поместив одноатомный слой дисульфида вольфрама поверх слоя диселенида вольфрама также толщиной в один атом. К получившейся гетероструктуре применили ток, чтобы уменьшить плотность электронов, после чего охладили конструкцию до температуры около 5 Кельвинов (–268,15 ℃), близкой к абсолютному нулю. 

Первая попытка исследовать электронную решетку с помощью сканирующего туннельного микроскопа привела к разрушению кристалла.

Тогда поверх «сэндвича» из полупроводников ученые поместили графеновую пластину толщиной в один атом. Она защитила структуру от внешнего воздействия, а также выступила в роли листа фотобумаги, на котором отпечаталась кристаллическая решетка.

 

Исследователи использовали наконечник сканирующего туннельного микроскопа (вверху), чтобы получить изображение листа графена (розовый), на котором отобразилось положение электронов (красный) в кристалле Вигнера, образовавшемся между двумя листами полупроводникового материала (синий и зеленый). Изображение: UC Berkeley

 

После этого исследователи вновь применили сканирующий туннельный микроскоп и смогли создать изображение электронного льда. Причем выяснилось, что электроны осели в кристаллической решетке на расстоянии почти в 100 раз большем, чем обычная дистанция между ними в этих полупроводниках.

При этом промежутки между частицами в одном из слоев оказались немного меньше, и такое несовпадение электронных структур в двух слоях привело к появлению на фото сложного «муарового» узора.

Исследователи также попытались добавить и удалить электроны из гетероструктуры перед наложением защитного барьера из графена и обнаружили, что при этом частицы образуют кристаллы разной формы, в том числе треугольные и шестиугольные.

Это открытие закладывает основы для понимания природы электронных кристаллов Вигнера и поможет создать новые методы получения изображений других хрупких структур.