Прорыв в физике: создана твердая кристаллическая форма электронов

При обычных условиях поведение электронов напоминает поведение жидкости: они как бы перетекают внутри вещества. Однако физик-теоретик Юджин Вигнер еще в 1934 году предположил, что при соблюдении необходимых параметров небольшое количество электронов способно принимать кристаллическую форму — так называемый кристалл Вигнера.

Для получения этой формы нужно добиться баланса между собственной энергией движения электронов и электростатическим отталкиванием – это две основные силы, воздействующие на электроны и определяющие их непрерывное движение внутри вещества.

Энергия движения воздействует на электроны сильнее, чем отталкивание, именно она заставляет их случайным образом отскакивать и хаотично двигаться внутри материала. По мнению Вигнера, при уменьшении энергии движения прекратилось бы движение электронов, а электростатическое отталкивание «заперло» бы их в кристаллическую решетку.

Практическая реализация этой модели достаточно сложна: для уменьшения внешнего влияния на электроны и удержания их в «ловушке» кристаллической решетки нужно снизить количество электронов до строго определенного предела, а также охладить их практически до абсолютного нуля.

Впервые кристаллы Вигнера были получены еще в 1979 году — тогда электроны располагались над жидким гелием. В новом эксперименте ученых из Швейцарской высшей технической школы (Цюрих) использовалась тонкая пластина полупроводникового материала селенистого молибдена толщиной в один атом, что позволило ограничить движение электронов двумя плоскостями. Для уменьшения количества электронов пластину зажали между графеновыми электродами и подали ток невысокого напряжения. Затем понизили температуру всей конструкции так, чтобы она была всего на несколько градусов выше абсолютного нуля (–273,15 ⁰С). В результате физикам удалось получить кристалл Вигнера.

Однако главная проблема заключалась не в создании новой структуры, а в наблюдении за ней. Расстояние между электронами составляет около 20 нанометров и его невозможно увидеть в микроскоп. Потому во всех предыдущих экспериментах доказательствами формирования решетки служили косвенные признаки, например, изменение силы тока.

В новом исследовании был применен иной метод: на пластину селенистого молибдена направили свет определенной частоты, который воздействовал на экситоны – элементарные квазичастицы, представляющие собой электронное возбуждение в полупроводнике. По сути экситон – это связанное состояние электрона и дырки (положительно заряженной квазичастицы). При воздействии света экситоны излучают его обратно, что позволяет наблюдать их напрямую.

В своём обычном состоянии экситоны мигрируют по веществу, как и электрон, хотя в отличие от него, не переносят заряд или массу. Но при формировании кристаллов Вигнера, экситоны выглядят на свету неподвижными. Теоретическую возможность такого эффекта возбуждения экситонов ранее описали исследователи из Гарвардского университета. Именно это смогли наблюдать исследователи из Цюриха, и это служит прямым доказательством существования кристаллической формы электронов.