Заморожений електронний кристал можна побачити під мікроскопом

Наукове

Заморожений електронний кристал можна побачити під мікроскопом

Дослідники з швейцарської Вищої технічної школи (ETH Zurich) домоглися впорядкування електронів в кристалічну структуру при наднизьких температурах, тобто створили квантовий вигнеровский кристал у двомірній напівпровідникової плівки. На відміну від численних попередніх експериментів з електронними кристалами, цю структуру вдалося спостерігати безпосередньо за допомогою методів оптичної спектроскопії.За звичайних умов електрони всередині провідника ведуть себе як ідеальний газ, практично не взаємодію один з одним.

Для їх теоретичного опису використовують модель фермі-рідини. Цей спосіб опису віддалено нагадує модель ідеального газу в класичної статистичної фізики, тільки з поправкою на квантову природу електронів (як класу фермі-частинок). У більшості систем на практиці типові значення кінетичної енергії електронів значно перевищують енергію електростатичного взаємодії заряджених частинок у речовині, відповідно їх упорядкування неможливо.

У 1934 році Юджин Вігнер вказав, що при певних умовах, коли потенційна енергія зв’язку електронів перевищує їх кінетичну енергію, електронний газ може «замерзнути» і утворити кристалічну структуру подібно до атомів в твердому тілі — перетворитися в вигнеровский кристал.Електронна фермі-рідина і кристал Вігнера.Електронна фермі-рідина і кристал Вігнера.

Вігнера припустив, що у переохолоджених електронів сили взаємного відштовхування повинні діяти як каркас, який зберігає систему електронів як одне ціле, але утримує електрони на однакових відстанях один від одного, тим самим створюючи «електронний кристал». Як і в звичайній атомної кристалічній решітці, така конфігурація при охолодженні нижче температури замерзання забезпечує мінімум сповненої енергії елементів системи (атомів, або у разі вигнеровского кристала — електронів). Але кристал Вігнера довгий час залишався теоретичною конструкцією: для їх утворення необхідні низькі температури поблизу абсолютного нуля і дуже мала щільність вільних електронів в матеріалі.

Такі кристали раніше вдавалося експериментально отримувати в дуже спеціальних системах: наприклад, в електронах на поверхні рідкого гелію, або в двовимірної електронної плазмі. В силу деяких фундаментальних обмежень вигнеровскую кристалізацію зазвичай спостерігають у двовимірних структурах, таких, як моноатомные шари напівпровідникового матеріалу. Але, наприклад, в найпопулярнішому в останні роки моноатомном матеріалі — графені — така кристалізація відсутня.

Замерзання крапель води.Замерзання крапель води.На відміну від кристала з атомів (звичайного твердого тіла), для виникнення електронного кристала щільність вільних електронів повинна бути малою — відстань між вільними електронами повинно бути набагато більше борівського радіуса (радіуса орбіти електрона в атомі).

Це чергове контрінтуїтивне властивість квантових систем: адже для замерзання і створення атомної кристалічної решітки в звичайному речовині, крім низької температури, необхідно, щоб атоми розташовувалися досить щільно, в межах дії молекулярних сил від сусідів.Для створення вигнеровского кристала використовували одноатомний шар напівпровідникового матеріалу MoSe₂ (диселенида молібдену). Електрони в цьому випадку можуть вільно рухатися тільки в площині матеріалу, формуючи двовимірну електронну структуру.

Кількість вільних електронів у системі змінювали, подаючи напругу на два прозорих графенових електроди, між якими затиснуто напівпровідниковий матеріал. Таким способом холодний провідник вистрілювали електронами і в залежності від їх концентрації вимірювали розподіл енергетичних рівнів електронів у напівпровіднику. Діселенід молібдену охолоджували до температур, близьких до абсолютного нуля (-273,15°C) — від декількох кельвінів аж до 80 миликельвин (0,08 K).

Результати нової роботи за електронною упорядкування у напівпровідниковому монослое дослідницький колектив з Вищої технічної школи Цюріха (ETH Zurich) опублікував у червні 2021 року в Nature.Електронна грати в кристалі Вігнера.Електронна грати в кристалі Вігнера.

У попередніх експериментах з різними матеріалами утворення кристалів Вігнера фіксували за непрямими ознаками шляхом вимірювання струму. В цей раз для візуалізації електронної кристалічної структури використовували оптичну спектроскопію. Відстань між електронами в електронному кристалі становить близько 20 нанометрів — це ≈30 разів менше довжин хвиль видимого світла, хоча і значно більше, ніж розміри звичайної кристалічної решітки (міжатомні становлять близько одного нанометра).

Для спостереження отриманої електронної структури за допомогою електромагнітних хвиль у діапазоні видимого світла використовували екситони — квазічастинки, які описують електронні збудження в речовині і вказують на вільні місця в спектрі електронних станів. Екситони — це пари електрон-дірка, які виникають при порушенні електрона (перехід його в зону провідності) у напівпровідниковому матеріалі. Точна частота електромагнітних коливань для їх порушення та швидкість їх руху залежать від властивостей напівпровідника і взаємодії з іншими електронами в матеріалі, тобто з вигнеровским кристалом.

Художня фотографія з стробоскопічним ефектом. Harold Edgerton.Художня фотографія з стробоскопічним ефектом.

Harold Edgerton.Спостереження впорядкування електронів в решітці такого кристала віддалено нагадує стробоскопічний ефект, який можна побачити в старих фільмах. Коли в кадр потрапляє колесо рухомого автомобіля або велосипеда, часто виникає ілюзія, що колеса при збільшенні швидкості перестають обертатися або крутяться в зворотному напрямку.

Це відбувається з-за того, що зйомка відбувається дискретно з певною частотою кадру (зазвичай 24 кадру в секунду). Якщо колесо велосипеда в проміжок часу між кадрами повернулася точно на кут, рівний відстані між спицями, у фільмі вона виглядає як нерухоме — спиці, як здається, залишаються на своїх місцях. У вигнеровском кристалі роль таких «спиць» грають електрони на рівних відстанях.

Якщо змусити екситони рухатися з певною швидкістю, опромінюючи матеріал видимим світлом, в умовах періодичної решітки з електронів буде спостерігатися характерний резонанс у відбитому спектрі — так, як якщо б на кожному наступному кадрі плівкового фільму на одному і тому ж місці виявлялася нова спиця. Тобто спостерігати періодичну структуру з характерним відстанню між вузлами 20 нанометрів вдається за допомогою звичайного світла (600 нм).Таким чином вдалося виміряти коливання екситонів при зустрічі з впорядкованими електронами і зв’язати високоенергетичні екситонні резонанси з переходом електронів в кристал Вігнера.

Ці сигнали зникали вже при температурах близько десяти кельвін, що пов’язують з фазовим переходом електронів з вигнеровского кристала в «рідке» стан — як при плавленні звичайного твердого тіла при підвищенні температури. Тут мова йде про перехід у фазу фермі-рідини електронів, набагато більш відому і вивчену. На відміну від плавлення твердих тіл начебто льоду, тут «танення» кристала з електронів в неупорядковану рідину відбувається при збільшенні щільності електронів, тобто при збільшенні частоти їх взаємодій, яка також збільшується і при підвищенні температури.

Автори стверджують, що стійкість електронного кристала можна додатково підвищити у високих магнітних полях з інтенсивністю 6 Тл (тесла). Для порівняння — магнітні поля з інтенсивністю близько 1 Тл в земних умовах реалізуються в магнітно-резонансні томографи і у Великому Адронному колайдері, а індукція природного магнітного поля Землі становить близько 50 мікротесел (0,5 × 10⁻⁵ Тл).В якості цікавих напрямів продовження роботи фізики розглядають дослідження зворотного процесу, тобто перетворення «електронної рідини» в вигнеровский кристал, а не тільки його плавлення, а також пошук можливих проміжних фаз між «рідиною» та «кристалом», в яких може існувати ансамбль електронів при наднизьких температурах.

Фазовий перехід від електронної рідини до впорядкованої структури (вигнеровскому кристалу в двохатомної плівці).Фазовий перехід від електронної рідини до впорядкованої структури (вигнеровскому кристалу в двохатомної плівці).Підготовка матеріалу — Сергій Шапіро, XX2 СТОЛІТТЯ.

Related posts

Leave a Comment