Ученые впервые увидели, как выглядит Вигнеровский молекулярный кристалл.
Электроны обычно двигаются очень быстро через любую несвязанную материю. Однако в 1934 году физик Юджин Вигнер предположил, что при низкой температуре и плотности свободные электроны могут формировать особую квантовую структуру — кристаллическую решетку, которую позже назвали Вигнеровским кристаллом. Три года назад ученые получили косвенные доказательства существования этой формы материи, а в этом году впервые сделали ее прямые изображения. Физики также наблюдали новую разновидность этого кристалла — Вигнеровский молекулярный кристалл.
Кристалл — это структура, в которой атомы выстраиваются в определенном порядке, образуя решетку с повторяющимся узором. Вигнер предположил, что при низкой плотности и температуре электроны могут также выстраиваться в кристаллическую решетку. В этом случае они подчиняются законам квантовой механики, а не классической физики, что и делает Вигнеровский кристалл квантовой формой материи.
Физики долго пытались получить изображения Вигнеровского молекулярного кристалла. В обычных Вигнеровских кристаллах электроны формируют структуру, похожую на соты, а в молекулярных — создают искусственные «молекулы» из двух и более электронов.
С помощью сканирующего туннельного микроскопа, использующего квантовое туннелирование, физики впервые сделали изображения нового квантового состояния материи. Для этого они создали наноматериал — закрученную муаровую сверхрешетку из дисульфида вольфрама (tWS2), которую нанесли на слой гексагонального нитрида бора толщиной 49 нанометров.
Изображения, полученные с помощью сканирующего туннельного микроскопа, на которых видно, как электроны превращаются в одну Вигнеровскую молекулу (справа внизу). Фото: Berkeley Lab
Физики обнаружили, что электроны, попадая на tWS2, заполняют каждую ячейку материала шириной 10 нанометров всего двумя или тремя электронами. Это привело к образованию массива из «молекул», который сформировал Вигнеровский молекулярный кристалл.
Ученые планируют продолжить изучение этого нового квантового состояния, чтобы понять, как его можно применять в будущем.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science и доступны на сайте препринтов arXiv.
