Квантовое плавление кристаллов Вигнера – задокументировано

Теория подсказывала, как металл, который обычно проводит электричество, может превратиться в непроводящий изолятор при уменьшении плотности электронов. Вигнер предположил, что, когда электроны в металлах доводятся до ультрахолодных температур, эти электроны застывают на своих дорожках и образуют жесткую, не проводящую электричество структуру – кристалл – вместо того, чтобы проноситься со скоростью тысячи километров в секунду и создавать электрический ток .

Схема квантового фазового перехода из электронной жидкости в двухслойный кристалл Вигнера. Каждый шар представляет собой отдельный электрон. Предоставлено: Студия Эллы Мару в сотрудничестве с Хункун Парк и Ю Чжоу.

С тех пор, как он ее открыл, эта структура была придумана как кристалл Вигнера и впервые была обнаружена в 1979 году.

Однако для физиков упорно неуловимо было плавление кристаллического состояния в жидкость в ответ на квантовые флуктуации. Теперь, почти 90 лет спустя, группа физиков во главе с Хункуном Паком и Юджином Демлером с факультета искусств и наук наконец экспериментально задокументировала этот переход.

«Это прямо на границе перехода материи от частично квантового материала к частично классическому и имеет много необычных и интересных явлений и свойств», – сказал Демлер, старший автор статьи. «Сами кристаллы были замечены, но этого, своего рода, первозданного перехода – когда квантовая механика и классические взаимодействия конкурируют друг с другом – не было замечено. На это потребовались годы ».

Исследовательская группа под руководством Парка и Демлера сосредоточилась на наблюдении кристаллов Вигнера и их фазовых переходов в ходе исследования. В химии, физике и термодинамике фазовые переходы происходят, когда вещество переходит из твердого, жидкого или газообразного состояния в другое состояние. Когда эти переходы вызываются квантовыми флуктуациями температуры, близкой к абсолютному нулю, они называются квантово-фазовыми переходами. Считается, что эти квантовые переходы играют важную роль во многих квантовых системах.

В случае вигнеровского кристалла переход кристалл-жидкость возникает из-за конкуренции между классическим и квантовым аспектами электронов – первый доминирует в твердой фазе, в которой электроны «подобны частицам», а второй преобладает в жидкости, в которой электроны «волнообразны». Для отдельного электрона квантовая механика говорит нам, что частица и волновая природа дополняют друг друга.

«Поразительно, что в системе, состоящей из многих взаимодействующих электронов, это различное поведение проявляется в разных фазах материи», – сказал Парк. «По этим причинам природа перехода электрона из твердого тела в жидкость вызвала огромный теоретический и экспериментальный интерес».

Ученые из Гарварда сообщают об использовании новой экспериментальной техники, разработанной Ю Чжоу, Джихо Сунг и Элизой Брутчеа – исследователями из Park Research Group и ведущими авторами статьи – для наблюдения за переходом из твердого состояния в жидкое в атомарно тонких полупроводниковых бислоях. В общем, для вигнеровской кристаллизации требуется очень низкая электронная плотность, что делает ее экспериментальную реализацию большой проблемой. Построив два взаимодействующих электронных слоя из двух атомарно тонких полупроводников, исследователи создали ситуацию, в которой кристаллизация стабилизировалась при более высоких плотностях.

Чтобы увидеть переход, исследователи использовали метод, называемый экситонной спектроскопией. Он использует свет, чтобы возбуждать электрон в системе и связывать его с электронной вакансией или дыркой, которую он оставляет, образуя водородоподобную электронно-дырочную пару, известную как экситон. Эта пара взаимодействует с другими электронами в материале и модифицирует другие электроны, чтобы их можно было увидеть.

По словам исследователей, результаты исследования были в значительной степени случайными и неожиданными. Группа Парка изначально двинулась в другом направлении и были озадачены, когда заметили, что электроны в их материале проявляют изолирующие свойства. Они посоветовались с теоретиками из лаборатории Демлера и вскоре поняли, что у них есть.

Исследователи планируют использовать свой новый метод для продолжения исследования других квантовых фазовых переходов.

«Теперь у нас есть экспериментальная платформа, на которой все эти [different quantum phase transition] прогнозы теперь можно проверить », – сказал Демлер.