Квантовое плавление кристаллов Вигнера — задокументировано

 

В 1934 году физик Юджин Вигнер сделал теоретическое предсказание, основанное на квантовой механике, которое в течение десятилетий оставалось незамеченным.

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 ».

Прочитайте также  Специалисты: Полет на Марс обойдется в запредельные деньги

 

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.

Прочитайте также  Это норма. Apple подтвердила, что некоторые iPad Pro слегка согнуты

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.


В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
👇 Поделитесь в вашей соцсети

ДРУГИЕ НОВОСТИ

 

Добавить комментарий