Sciencemag.cz
Doporučujeme
Wignerův, respektive elektronový krystal, má být speciální stav hmoty, kdy jsou elektrony stabilně zarovnány v pravidelné struktuře („pevná fáze elektronů“ v titulku). Až dosud se jeho existence předpokládala jen teoreticky, na Cornell University nyní tvrdí, že se jim ho poprvé podařilo připravit i v praxi. Základem byly 2D polovodiče se speciální mřížkou.
Ke vzniku elektronového krystalu je třeba, aby elektrická odpudivost elektronů překonala jejich neposednost – tj. odebrat jim kinetickou energii (pak by v pravidelném uspořádání vedle jiných nehybných elektronů jakýkoliv pohyb znamenal, že se přiblíží k jinému elektronu a odpudivá síla vzroste). Dosud se experimentovalo třeba s obrovskými magnetickými poli, ale ani tedy se „plná krystalizace“ dosud nepodařila. Elektrony neustále spontánně kmitaly i v důsledku své kvantově mechanické povahy.
Nyní vědci namísto použití magnetického pole uvěznili elektrony mezi 2D vrstvami 2 různých polovodičů, sulfidu wolframičitého (WS2) a selenidu wolframičitého (WSe2). Oba materiály mají odlišnou mřížkovou konstantu a jejich kombinací vznikne supermřížka (moiré), vypadající jako šestiúhelníkový vzor. Elektrony se pak dají umístit na konkrétní místa v této struktuře do potenciálových jam a energetická bariéra jim brání v pohybu. „Hustotu“ elektronů lze řídit, tj. cpát je do mřížky (mezi obě vrstvy) v různém množství. Při konkrétní hustotě (obsazenosti jednotlivých míst elektrony) se pak objeví elektronový krystal, pro trochu jiné uspořádání elektronů se spontánně vytvoří zase při jiné hustotě.
Zajímavým problémem rovněž bylo, jak ověřit, že elektronový krystal skutečně vznikl. Tento stav hmoty je velmi křehký. Nakonec se analýza podařila pomocí optického senzoru, celou strukturu bylo ale navíc třeba chránit dvěma vrstvami nitridu boru. Mezi elektronovým krystalem a senzorem byla vzdálenost asi 2 nanometrů. Poté se podařilo pozorovat elektronové krystaly v řadě podob, trojúhelníkové mřížky elektronů, různé pruhy i objekty s dalšími formami symetrie.
Celý výzkum byl umožněn jen účastí dalších specializovaných pracovišť, např. sulfid a selenid wolframičitý připravili v požadované formě na Columbia University, izolační vrstvy nitridu bóru na japonském National Institute for Materials Science atd.
Yang Xu et al. Correlated insulating states at fractional fillings of moiré superlattices, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2868-6
Zdroj: Cornell University/Phys.org
Poznámka PH: Jak souvisí Wignerovy krystaly a elektridy, kdy elektron v krystalové mřížce nahrazuje klasický aniont? Zde jde o to, že v příslušné vrstvě existují pouze elektrony (tj. elektrony byly mezi vsrtvami obou polovodičů, chápu-li to dobře)?
