Странная форма материи: спустя 90 лет физики увидели загадочный Вигнеровский кристалл

Фото: ScienceAlert

Как известно электроны вращаются вокруг ядра атомов. 90 лет назад физик Юджин Вигнер предположил, что свободные электроны могут собираться вместе в особом виде материи, в которой вообще нет атомов, а есть только электроны, и они могут формировать кристаллическую решетку. Этот вид материи называется Вигнеровский кристалл и физики наконец получили прямые наблюдательные доказательства того, что он существует. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature, пишет ScienceAlert.

По словам ученых, Вигнеровский кристалл представляет собой одну из самых удивительных квантовых форм материи и до сих пор находили лишь косвенные доказательства того, что она существует. Теперь же физики впервые смогли визуализировать Вингеровский кристалл и подтвердили многие его свойства, предсказанные 90 лет назад.

Кристаллы представляют собой один из способов расположения атомов в твердом веществе. В обычных кристаллических материалах атомы связаны друг с другом так, что образуют повторяющийся узор в пространстве.

В 1934 году Юджин Вигнер предположил, что электроны могут создавать похожие структуры, чему способствует их взаимное отталкивание, которое создается отрицательным зарядом электрона. Взаимодействие между электронами может привести к их спонтанному расположению в кристаллоподобной решетке из плотно упакованных электронов. Физики предположил, что при чрезвычайно низких температурах и низкой плотности взаимодействие между электронами должно привести к тому, что их потенциальная энергия будет больше, чем кинетическая.

Согласно теории, такие кристаллы должны вести себя не в соответствии с классической физикой, а в соответствии с квантовой механикой, где связанные электроны будут вести себя не как дискретные частицы, а как отдельная волна.

Авторы нового исследования использовали магнитные поля, чтобы индуцировать Вигнеровский кристалл в графене. Два листа графена расположили в определенной конфигурации, а затем охладили до почти абсолютного нуля. Затем ученые применили магнитное поле для настройки плотности электронного газа, который находился между листами графена.

Вигнеровский кристалл имеет зону наилучшего восприятия золотой середины плотности электронов. Если плотность слишком маленькая, электроны будут отталкивать друг друга и просто отдаляться. Если плотность слишком высокая, то электроны сольются в электронную жидкость.

Чтобы Вигнеровский кристалл физики использовали сканирующую туннельную микроскопию высокого разрешения. Она использует квантовое туннелирование для исследования материалов на атомном уровне.

Изменив плотность ученые смогли запустить фазовый переход электронов и обнаружили, что они спонтанно формируются в упорядоченный кристалл. Таким образом были получены первые прямые изображения Вигнеровского кристалла, а также было доказано, что он на самом деле существует.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист ATinform