Sciencemag.cz
Doporučujeme
Fyzikové z Princetonu pomocí grafenu poprvé přímo vizualizovali tzv. Wignerův krystal – zvláštní formu hmoty, která je tvořena výhradně elektrony.
„Objev potvrzuje 90 let starou teorii, že elektrony se mohou samy uspořádat do jakýchsi krystalů, aniž by se k tomu musely spojovat kolem atomových jader. Výzkum by mohl přispět k objevu nových kvantových fází hmoty, kdy se elektrony chovají kolektivně,“ praví průvodní tisková zpráva.
Ve 30. letech minulého století napsal Eugene Wigner, profesor fyziky z Princetonu a nositel Nobelovy ceny za rok 1963 za práci v oblasti principů kvantové symetrie, článek, v němž navrhl tehdy revoluční myšlenku, že interakce mezi elektrony může vést k jejich spontánnímu uspořádání do konfigurace podobné krystalu – mřížky těsně za sebou uložených elektronů. K tomu by podle jeho teorie mohlo dojít pouze díky jejich vzájemnému odpuzování a za podmínek nízkých hustot a extrémně nízkých teplot. Tento krystal se tvoří čistě díky odpuzování mezi elektrony.
Wignerův podivný elektronový krystal však dlouho zůstával pouze teorií. Teprve řada mnohem pozdějších experimentů elektronové krystaly skutečně dokázala vytvořit. První z nich byl proveden v 70. letech 20. století, kdy vědci v Bellových laboratořích vytvořili elektronový krystal rozprašováním elektronů na povrch helia.
Elektrony v těchto experimentech však byly velmi daleko od sebe a chovaly se spíše jako jednotlivé částice než jako soudržná struktura. „Skutečný“ Wignerův krystal by se namísto fyzikálních zákonů známých z běžného světa řídil zákony kvantové fyziky, v níž by se elektrony neměly podobu jednotlivých částic, ale spíše jediné vlny.
To vedlo v následujících desetiletích k celé řadě experimentů, které navrhovaly různé způsoby vytváření kvantových Wignerových krystalů. Tyto experimenty výrazně pokročily v 80. a 90. letech 20. století, kdy fyzikové objevili způsoby, jak omezit pohyb elektronů na atomárně tenké vrstvy pomocí polovodičů.
Působením magnetického pole na takové vrstevnaté struktury se pak elektrony pohybují po kružnici, což vytváří příznivé podmínky pro krystalizaci. Při těchto experimentech však nikdy nebylo možné pozorovat krystal přímo. Byly schopny pouze naznačit jeho existenci nebo jej nepřímo odvodit z toho, jak elektrony tečou polovodičem.
Vědci se nyní rozhodli zjistit, zda by mohli Wignerův krystal přímo zobrazit pomocí skenovacího (rastrovacího) tunelového mikroskopu (STM). Jako materiál pro experimenty byl zvolen grafen.. Výsledky byly působivé. „Naše skupina dokázala vyrobit bezprecedentně čisté vzorky, které umožnily tuto práci,“ uvádí spoluautor práce Al Yazdani z Princetonu. „Pomocí našeho mikroskopu můžeme potvrdit, že vzorky jsou bez jakýchkoli atomárních nedokonalostí v atomární mřížce grafenu nebo cizích atomů na jeho povrchu nad oblastmi se stovkami tisíc atomů.“
Pro výrobu čistého grafenu vědci exfoliovali dva uhlíkové listy grafenu v konfiguraci Bernal-stacked bilayer graphene (BLG). Poté vzorek ochladili na extrémně nízkou teplotu a aplikovali na něj magnetické pole kolmé na vzorek, čímž se v tenkých vrstvách grafenu vytvořil dvourozměrný systém elektronových plynů. Díky tomu mohli pak autoři studie vyladit hustotu elektronů mezi oběma vrstvami.
„V našem experimentu můžeme zobrazit systém, jak ladíme počet elektronů na jednotku plochy,“ řekl Yen-Chen Tsui hlavní autor článku. „Pouhou změnou hustoty lze iniciovat tento fázový přechod a zjistit, že elektrony se spontánně formují do uspořádaného krystalu.“
Samotnou vizualizací krystalu experiment neskončil. Konkrétní zobrazení krystalu umožnilo rozlišit některé vlastnosti krystalu. Zjistili, že krystal má trojúhelníkovou konfiguraci a že ji lze plynule ladit hustotou částic. To vedlo k závěru, že Wignerův krystal je ve skutečnosti poměrně stabilní ve velkém rozsahu. Tento výsledek je v rozporu s tím, co mnozí vědci předpokládali.
Vědci objevili také několik dalších zajímavých jevů, které si vyžádají další zkoumání. Zjistili například, že místo, do kterého je každý elektron v mřížce lokalizován, se na snímcích objevuje s určitým „rozostřením“, jako by toto místo nebylo definováno bodem, ale polohou v rozsahu, na nějž jsou elektrony v mřížce omezeny. Rozsah této neostrosti odráží kvantovou povahu Wignerova krystalu.
Ali Yazdani, Direct observation of a magnetic-field-induced Wigner crystal, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07212-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07212-7
Zdroj: Princeton University / Phys.org, přeloženo, zkráceno
