Исследователи сделали первое изображение «электронного льда»

Хотя физики получили косвенные доказательства существования кристаллов Вигнера, никому не удавалось сфотографировать их — до сих пор.

Физики Калифорнийского университета в Беркли опубликовали на прошлой неделе в журнале Природа изображение именно такого электронного льда, зажатого между двумя полупроводниковыми слоями. Изображение является убедительным доказательством того, что эти кристаллы существуют.

Это изображение листа графена, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа, показывает, что кристалл Вигнера — сотовая структура электронов, подобная электронному льду — сформировался внутри слоистой структуры под ним. Предоставлено: Хунюань Ли и Шаовей Ли, любезно предоставлено компанией Nature.

«Если вы говорите, что у вас есть электронный кристалл, покажите мне кристалл», — сказал Nature старший автор Фэн Ван, профессор физики в Беркли.

Команда лаборатории Беркли и Беркли, в которую вошли физики из лабораторий Ванга, Майкла Кромми и Алекса Зеттла, разработала новую технику визуализации кристаллов, которые имеют тенденцию «плавиться» при исследовании. Поместив лист графена поверх полупроводникового сэндвича, команда смогла исследовать кристалл Вигнера с помощью сканирующего туннельного микроскопа, не расплавляя образец, и продемонстрировать структуру кристаллической решетки, как предсказывал Вигнер.

По словам докторанта Хунюань Ли и бывшего научного сотрудника Шаовей Ли, соавторов статьи, исследование не только закладывает прочную основу для понимания электронных кристаллов Вигнера, но и обеспечивает подход, который обычно применим для построения изображений коррелированных электронных решеток в другие системы.

«Этот метод неинвазивен для состояния, которое вы хотите исследовать. Для меня это очень умная идея », — сказал Nature физик Кин Фай Мак из Корнельского университета.

Создание изображений электронных облаков с помощью графена

Электроны внутри материалов ведут себя очень странно, но почти всегда перемещаются с большой скоростью. Вигнер предсказал, что если их можно будет замедлить, их естественное отталкивание — частицы с одинаковым электрическим зарядом отталкиваются друг от друга — позволит им принять равномерно разнесенное расположение, по сути, кристаллическую структуру.

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли использовали наконечник сканирующего туннельного микроскопа (вверху) для изображения листа графена (розовый), который, как и фотобумага, фиксировал положение электронов (красный) в кристалле Вигнера, который образовался между двумя листами полупроводникового материала (синий и зеленый). Предоставлено: Калифорнийский университет в Беркли, изображение любезно предоставлено лабораторией Фэн Ванга.

Команда создала кристаллы Вигнера, состоящие из одноатомных слоев двух одинаковых полупроводников: дисульфида вольфрама и диселенида вольфрама. Исследователи использовали электрическое поле, чтобы настроить плотность электронов между двумя слоями, а затем охладили все устройство до температуры около 5 Кельвинов, близкой к абсолютному нулю.

Их первая попытка измерить электронную плотность в двумерном кристаллическом сэндвиче с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) разрушила кристалл. Команда предложила накрыть устройство листом графена, который действует как лист фотобумаги для записи местоположения электронов. Ученые использовали СТМ для считывания электронного изображения на графене — как и было предсказано, электроны осели в кристаллической структуре с разделением почти в 100 раз большим, чем разделение атомов в полупроводниковых листах.