Normalerweise sieht man Elektronen, wie sie um ihre Atome huschen, aber ein Team von Physikern hat die Teilchen nun in einem ganz anderen Zustand abgebildet: zusammengeschmiegt in einer Quantenphase, die als Wigner-Kristall bezeichnet wird, ohne einen Kern in ihrem Kern.
Die Phase ist nach Eugene Wigner benannt, der 1934 vorhergesagt dass Elektronen in einem Gitter kristallisieren würden, wenn bestimmte Wechselwirkungen zwischen ihnen stark genug wären. 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 der Materie, die vorhergesagt wurde, und Gegenstand zahlreicher Studien, in denen behauptet wird, bestenfalls indirekte Beweise für seine Entstehung gefunden zu haben“, sagte Ali Yazdani, Physiker an der Princeton University und der leitender Autor der Studie an einer Universität freigeben.
Elektronen stoßen sich gegenseitig ab, sie gehen einander gerne aus dem Weg. In den 1970er Jahren ein Team der Bell Laboratories Erstellte einen Elektronenkristall indem sie die Teilchen auf Helium sprühten, beobachteten sie, wie sich die Elektronen wie ein Kristall verhielten. Aber dieses Experiment blieb im klassischen Bereich stecken. Das jüngste Experiment erzeugte laut dem Team einen „echten Wigner-Kristall“, da die Elektronen im Gitter als Welle und nicht als zusammengeklebte einzelne Teilchen fungierten.
Wigner vermutete, dass diese Quantenphase der Elektronen aufgrund der gegenseitigen Abstoßung der Teilchen und nicht trotzdem auftreten würde. Dies würde jedoch nur bei sehr kalten Temperaturen und Bedingungen mit geringer Dichte passieren. In dem neuen Experiment platzierte das Team Elektronen zwischen zwei Graphenschichten, die gründlich von Materialfehlern befreit wurden. Dann kühlten sie die Proben ab und legten ein Magnetfeld senkrecht dazu an. Die höchste Magnetfeldstärke betrug 13,95 Tesla und die niedrigste Temperatur 210 Millikelvin. Wenn die Elektronen in ein Magnetfeld gebracht werden, wird ihre Bewegung weiter eingeschränkt, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass sie kristallisieren.
„Es gibt eine inhärente Abstoßung zwischen den Elektronen“, sagte Minhao He, Forscher an der Princeton University und Co-Erstautor des Artikels, in derselben Pressemitteilung. „Sie wollen sich gegenseitig wegstoßen, aber in der Zwischenzeit können die Elektronen aufgrund der endlichen Dichte nicht unendlich weit voneinander entfernt sein. Das Ergebnis ist, dass sie eine dicht gepackte, regulierte Gitterstruktur bilden, wobei jedes der lokalisierten Elektronen einen bestimmten Raum einnimmt.“
Das Team war überrascht, dass der Wigner-Kristall über einen längeren Bereich als erwartet stabil blieb. Bei höheren Dichten wich die kristalline Phase jedoch einer Elektronenflüssigkeit. Als nächstes wollen die Forscher abbilden, wie die Wigner-Kristallphase unter einem Magnetfeld anderen Elektronenphasen Platz macht.
Es sind aufregende Tage, um exotische Materialien zu studieren das zweite Hitzegeräusch genau unter die Lupe nehmen Zu Zeitkristalle, die länger bestehen bleiben als jemals zuvor. Durch die Untersuchung der Materie an ihren Enden werden Physiker den Stoff, aus dem unser Universum besteht, und die rätselhaften Gesetze, denen sie unterliegen, besser verstehen.
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