За сприятливих умов електрони всередині матеріалу можуть утворювати акуратні структури, що нагадують бджолині стільники. Це таке собі тверде тіло всередині твердого тіла. Уперше фізикам вдалося отримати зображення цих структур, званих кристалами Вігнера, які назвали на честь американського фізика угорського походження Юджина Вігнера, що передбачив їх ще 90 років тому.
Зображення кристалів Вігнера під поверхнею шару графену, отримане за допомогою сканувального тунельного мікроскопа. Credit: H. Li et al. Nature.
Дослідники створювали кристали Вігнера й вимірювали їхні властивості і раніше, але це перший випадок, коли їх вдалося сфотографувати, розповідає співавтор дослідження Фен Ван, фізик із Каліфорнійського університету в Берклі. «Якщо ви говорите, що маєте кристал з електронів, покажіть мені його», – каже він. Результати дослідження опубліковані 29 вересня в журналі Nature.
Щоби створити кристали Вігнера, команда Вана використала два одноатомні напівпровідникові шари дисульфіду та диселеніду вольфраму. За допомогою електричного поля науковці могли впливати на щільність електронів, які вільно переміщалися між ними.
Зазвичай електрони рухаються надто швидко, щоби на них суттєво впливало відштовхування між їхніми негативними зарядами. Але Вігнер передбачив, що якщо швидкість їхнього переміщення знизиться, ця сила почне домінувати у їхній поведінці. Як наслідок, електрони вишикуються у стільникову структуру, яка дозволяє мінімізувати їхню загальну енергію. Тому Ван разом із колегами сповільнили рух електронів у своєму зразку, охолодивши його до температури, що лише на кілька градусів була вищою за абсолютний нуль.
Невідповідність між двома шарами також допомогла електронам вишикуватись у кристали Вігнера. Атоми в обох напівпровідникових шарах перебували на дещо різній відстані між собою, тож їх накладання один на одного утворило стільниковий «муар», аналогічний тому, який виникає при накладанні двох сіток. Цей повторюваний візерунок створював області з трохи меншою енергією, що теж допомагало електронам «заспокоїтися».
Щоб побачити Вігнерові кристали, команда використала сканувальний тунельний мікроскоп. У цьому пристрої металевий наконечник переміщується над поверхнею зразка. Напруга змушує електрони «зістрибувати» з наконечника, утворюючи при цьому електричний струм. Вимірюючи силу цього струму, учені отримують точну картину розташування електронів у зразку.
Спершу, однак, спроби сфотографувати ці кристали за допомогою сканувального тунельного мікроскопа на дали успіху, оскільки струми руйнували тендітні електронні структури. Щоб виправити це, науковці додали зверху ще один шар графену – моноатомного шестигранного шару вуглецю. Наявність Вігнерового кристалу вплинула на структуру графену, яку вдалося зафіксувати за допомогою електронного мікроскопа. Як і очікувалося, послідовні електрони в кристалі Вігнера розташовувалися майже в 100 разів далі один від одного, ніж атоми в кристалах напівпровідникової структури.
«Я вважаю, що отримання знімків таких структур за допомогою сканувального тунельного мікроскопа – це великий крок уперед», – стверджує Кармен Рубіо Верду, фізик з Колумбійського університету в Нью-Йорку. За її словами, цей самий метод дозволяє проводити сканувальні дослідження й інших фізичних структур. З нею погоджується Кін Фай Мак, фізик із Корнельського університету в Ітаці (штат Нью-Йорк): «Цей метод неінвазивний щодо системи, яку ви хочете дослідити. На мою думку, це дуже розумна ідея».
Davide Castelvecchi
This Is What a Solid Made of Electrons Looks Like
Scientific American, 7/10/2021
Зреферував Є. Л.
11.10.2021