Sciencemag.cz
Doporučujeme
Wignerovy, respektive elektronové krystaly, znamenají pravidelné a stabilní uspořádání elektronů v materiálu. Tedy míněno „volných“ elektronů, které nejsou součástí slupek atomů.
Již v roce 1934 fyzik a nositel Nobelovy ceny Eugene Wigner ukázal, že elektrony v materiálu se mohou teoreticky uspořádat do pravidelných krystalických obrazců díky jejich vzájemnému elektrickému odpuzování. Vysvětlení tohoto jevu je poměrně jednoduché: pokud je energie elektrického odpuzování mezi elektrony větší než jejich pohybová energie, uspořádají se tak, aby jejich celková energie byla co nejmenší.
Po několik desetiletí však tato předpověď zůstávala čistě teoretická, protože Wignerovy krystaly mohou vznikat pouze za extrémních podmínek, jako jsou nízké teploty a velmi malý počet volných elektronů v materiálu. Je to proto, že elektrony jsou oproti atomům velmi lehké, takže jejich kinetická energie v bývá mnohem větší než elektrostatická energie způsobená interakcí mezi elektrony (= energie elektrického odpuzování prostě nestačí na kinetickou energii). Běžně se proto setkávám s krystaly, jejich jednotku tvoří mnohem těžší atomy.
Vědci z ETH Zurich nyní připravili Wignerův krystal z tenké vrstvy selenidu molybdeničitého, tedy běžného polovodičového materiálu. Ve vrstvě tlusté jediný atom se elektrony mohly pohybovat pouze v rovině. Autoři studie dále regulovali množství elektronů tím, že materiál umístili pod napětí mezi dvě grafenové elektrody. Z teorie vyplývalo, že při teplotě jen několik stupňů nad absolutní nulou by měl vzniknout Wignerův krystal. Nebylo ovšem nijak jednoduché prokázat, zda k tomu opravdu došlo. Vzdálenost mezi elektrony byla totiž vypočítána na 20 nanometrů, což je zhruba třicetkrát méně než vlnová délka viditelného světla, strukturu tedy nešlo pozorovat mikroskopem.
Vědci namísto toho v materiálu pomocí světla o určité frekvenci vyvolali vznik excitonů, tedy párů elektronů a děr. Dále se vlastnosti elektronů v krystalu odvodily z jejich interakcí s excitony. V přítomnosti Wignerova krystalu se pohybující se excitony jeví jako nehybné za předpokladu, že se pohybují určitou rychlostí danou vzdáleností elektronů v krystalové mřížce. Rychlost excitonů pak zase souvisí s energií světla, které excitaci vyvolalo. Z toho všeho vyplynulo, že mezi elektrony v krystalu opravdu existovala předpovězená vzdálenost.
Na rozdíl od předcházejících pokusů s Wignerovými krystaly má jít v tomto případě o první přímé pozorování. (Poznámka PH: i když ad přímé – viz co bylo skutečně pozorováno a co z toho bylo třeba počítat…)
Tomasz Smoleński et al, Signatures of Wigner crystal of electrons in a monolayer semiconductor, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03590-4
Zdroj: ETH Zurich / Phys.org
