Физики создали кристалл из электронов
Обычными кристаллами уже никого не удивишь. Но что если расположить в упорядоченной регулярной структуре электроны? В новой работе физики не только смогли получить такой кристалл, но и «увидеть» его
В 1934 году Юджин Вигнер, один из основателей теории симметрии в квантовой механике, показал, что электроны в материале теоретически могут выстраиваться в правильные кристаллические структуры благодаря своему взаимному электрическому отталкиванию. Если энергия электрического отталкивания между электронами больше, чем их энергия движения, то они располагаются таким образом, что их полная энергия будет наименьшей.
Однако в течение нескольких десятилетий такие кристаллы существовали лишь в теории, поскольку они могут образовываться только в экстремальных условиях — при низких температурах и очень маленьком количестве свободных электронов в материале. Это отчасти связано с тем, что электроны во много тысяч раз легче атомов. Поэтому их энергия движения намного выше энергии электростатических взаимодействий, что не позволяет упорядочить такие частицы в одной системе.
Чтобы преодолеть эти препятствия, физики в новой работе использовали двумерный полупроводниковый материал — диселенид молибдена, — электроны в котором могут двигаться только в плоскости. Исследователи могли варьировать количество свободных электронов, подавая напряжение на два графеновых электрода, между которыми был зажат полупроводник. Согласно теории, электрические свойства диселенида молибдена должны способствовать образованию вигнеровских кристаллов, при условии, что вся система охлаждается до нескольких градусов выше абсолютного нуля.
Но получить такой кристалл — лишь полдела. Ученым надо было подтвердить, что они синтезировали именно то, что нужно. Авторы подсчитали, что расстояние между электронами в материале составляет около 20 нанометров — примерно в тридцать раз меньше длины волны видимого света. Увидеть структуру полученной системы оказалось невозможным даже при помощи самых лучших микроскопов.
Исследователи смогли решить и эту проблему. Для этого они использовали свет определенной частоты для возбуждения так называемых экситонов в полупроводнике. Экситоны — это пары электронов и дырок, возникающих на месте ушедшего со своего «законного места» электрона. Точная частота света для создания таких экситонов и скорость, с которой они движутся, зависят как от свойств материала, так и от взаимодействия с другими электронами в материале—например, с вигнеровским кристаллом.
