Zespół pod kierownictwem Polaka zbadał kwantowy kryształ

W latach 30. ubiegłego wieku urodzony w Budapeszcie fizyk Eugene Wigner, zaproponował rodzaj kwantowego kryształu, charakteryzujący się uporządkowaną strukturą elektronów. Po 90 latach hipoteza Wignera została gruntownie sprawdzona.

Przez kryształ rozumiemy na ogół ciało stałe zbudowane z atomów ułożonych w schematyczny, regularny wzór. Wigner marzył o materii, wewnątrz której same elektrony (ujemnie naładowane cząstki otaczające jądro atomowe – przyp.) będą tworzyły uporządkowaną strukturę. Jego zdaniem, aby to osiągnąć, należy doprowadzić do stanu, gdzie wzajemne odpychanie ładunków elektrycznych będzie mogło przeważyć nad energią kinetyczną cząstek.

W XX wieku uzyskanie odpowiednich warunków nie było technicznie możliwe. Dopiero niedawno, dzięki ekstremalnie niskim temperaturom udało się zminimalizować liczbę swobodnych elektronów wewnątrz materii na tyle, aby uzyskać kwantowy kryształ. Jednak w dalszym ciągu naukowcy nie byli pewni, czy Wigner miał słuszność i elektrony naprawdę tworzą uporządkowaną sieć.

Ostateczny eksperyment przeprowadzili fizycy z Politechniki Federalnej w Zurychu, na czele z utalentowanym Tomaszem Smoleńskim – pochodzącym z Polski pracownikiem Zespołu Fotoniki Kwantowej ETH.

Badacze postanowili zaobserwować krystaliczne ułożenie cząstek wewnątrz płaskiego arkusza diselenku molibdenu, umieszczonego pomiędzy dwiema grafenowymi elektrodami. Schłodzili półprzewodnik do temperatury bliskiej zeru kelwinów, a następnie przeprowadzili obserwacje. Nie mogli po prostu użyć mikroskopu, z uwagi na zbyt małe odległości pomiędzy poszczególnymi elektronami, dlatego wymyślili metodę pośrednią – uderzając elektrony światłem o odpowiedniej częstotliwości i analizowali powstałe w ten sposób kwazicząstki, nazywane ekscytonami.

Ekipa Smoleńskiego przekonała się, że elektrony naprawdę są w stanie utworzyć regularną strukturę, w tym przypadku układając się w równych odstępach co 20 nanometrów. Niewykluczone, że kryształy Wignera znajdą w przyszłości zastosowanie w architekturze superkomputerów i zaawansowanej elektronice.

Więcej informacji znajdziesz w oryginalnej publikacji: T. Smoleński, P. Dolgirev, C. Kuhlenkamp, Signatures of Wigner crystal of electrons in a monolayer semiconductor, “Nature”, 595 (2021), nature.com/articles/s41586-021–03590‑4.