Вчені вперше сфотографували кристали вігнера. Розповідаємо що це таке і як фізикам це вдалося

12

Наша планета дивовижна. Життя на ній настільки різноманітна, що існує безліч тіл і речовин, як природних (тварини і люди, планети і зірки) так і штучних (створених людиною). Ці речовини і тіла бувають твердими і рідкими, наприклад, вода і кристали. Останні особливо цікаві, так як являють собою тверді тіла, атоми в яких розташовані закономірно, утворюючи так звану кристалічну решітку. По суті, природний стан кристала-це форма правильних симетричних багатогранників, яка заснована на їх внутрішній структурі. Тобто на одному з декількох певних і регулярних розташувань, що складають речовину частинок (іонів, атомів і молекул). Погодьтеся, дійсно цікаво. Саме так в 1934 році міркував юджин вігнер, один із засновників теорії симетрії в квантовій механіці. Він передбачив, що електрони в матеріалах теоретично можуть вибудовуватися в правильні кристалічні структури, завдяки тому, що відштовхуються один від одного. Таким чином, якщо енергія кристалічного відштовхування між парою електронів більше, ніж енергія їх руху, то їх розташування призведе до того, що повна енергія буде найменшою, а ми отримаємо систему, аналогічну твердому тілу.

Фізики зробили перше в історії зображення кристала вігнера-дивного матеріалу з комірчастим малюнком всередині іншого матеріалу, повністю складається з електронів.

Кристали вігнера

Незважаючи на роздуми знаменитого фізика, його кристали протягом десятиліть залишалися виключно теоретичною конструкцією. Причина полягає в тому, що вігнерівські кристали можуть утворюватися тільки при екстремально низьких температурах і малій кількості вільних електронів в матеріалі.

Нагадаємо, що енергія руху електронів значно перевершує енергію електростатичних взаємодій. Цей фактор не дозволяє впорядкувати частинки, які у багато тисяч разів легше атомів, в єдину систему.

Лауреат нобелівської премії, фізик-теоретик юджин вігнер.

Питання, поставлене вігнером, довгий час був провідним викликом в області фізики конденсованої речовини: в звичайних умовах всередині провідника електрони практично не взаємодіють один з одним. Але варто змінити умови, як електрони починають «замерзати», перетворюючись в систему, аналогічну твердому тілу. Однак відобразити такий кристал на камеру неймовірно важко, так що авторам нового дослідження довелося застосувати творчий підхід.

вігнеровскій кристал 8 –&>- це кристал, електрони в якому строго впорядковані, а потенційна енергії їх зв’язку перевищує кінетичну енергію руху.

Створити те, чого немає

Авторам нового дослідження, опублікованого в журналі nature 29 вересня, вдалося (хоч і не вперше) створити максимально правдоподібний кристал вігнера і навіть вивчити його властивості. Зібрані вченими візуальні дані є найбільш переконливим доказом існування цих дивовижних об’єктів.

У минулому багато дослідників створювали кристали вігнера, і nature news зазначає, що у них були деякі переконливі докази. Так, влітку цього року відразу три окремі групи дослідників створили кристал, повністю складається з електронів.

Захоплююче перше зображення кристала вігнера показує електрони, стиснуті в щільний повторюваний візерунок, немов крихітні крила блакитного метелика.

Щоб зрозуміти, як фізикам вдалося створити вігнеровскій кристал, нагадаємо, що всередині звичайних провідників, таких як срібло або мідь, або напівпровідників, таких як кремній, електрони проносяться так швидко, що ледь встигають взаємодіяти один з одним. Але при дуже низьких температурах вони сповільнюються і починають «повзати», а відштовхування між негативно зарядженими електронами починає переважати. Таким чином, ці неймовірно швидкі і рухливі частинки зупиняються і шикуються в повторюваний, схожий на стільники візерунок, при цьому зводячи до мінімуму загальне споживання енергії .

Щоб споглядати створення вігнеровского кристала, дослідники працювали з напівпровідниками товщиною в один атом, охолодженими до наднизьких температур: фізики зловили електрони в зазор між шарами товщиною в атом двох вольфрамових напівпровідників. Потім, проклавши електричне поле поперек зазору (щоб позбутися від будь-яких потенційно руйнівних надлишкових електронів), вчені охолодили свій «електронний сендвіч» до 5 градусів вище абсолютного нуля. І о диво-колись швидкі електрони зупинилися , осідаючи в повторюваній структурі кристала вігнера.

Ще більше цікавих статей про останні наукові відкриття в області квантової механіки і не тільки, підписуйтесь на наш канал в яндекс.дзен. Там регулярно виходять статті, яких немає. На сайті!

Фізики знайшли здатність уповільнювати рух електронів, перетворюючи їх в кристалічну структуру.

Потім, за допомогою пристрою під назвою скануючий тунельний мікроскоп (stm), дослідники переглянули отриманий кристал. Як пише live science, stm працюють, подаючи невелику напругу на гострий металевий наконечник, перш ніж запустити його прямо над матеріалом.

Це змушує електрони стрибати з наконечника на поверхню матеріалу. Швидкість, з якою електрони відскакують від наконечника, залежить від того, що знаходиться під ними, тому дослідники можуть створити зображення контурів 2d-поверхні, схожих на шрифт брайля, шляхом вимірювання струму, що протікає по поверхні в кожній точці, – повідомляють автори наукової роботи.

Однак струм, що забезпечується stm, спочатку був занадто великий для тонкого електронного льоду, «плавлячи» його при контакті. Щоб зупинити це, вчені вставили одноатомний шар графена прямо над кристалом вігнера, дозволяючи кристалу взаємодіяти з графеном. Ця взаємодія, у свою чергу, може спокійно зчитувати stm (майже як ксерокс).

Тільки уявіть-кристал, що складається з електронів дійсно існує.

Повністю простеживши зображення, віддруковане на аркуші графена, stm зробив перший знімок кристала вігнера, довівши його існування поза всякими сумнівами.

Навіщо потрібні кристали вігнера?

Отже, отримавши переконливі докази існування цих дивовижних об’єктів, вчені можуть використовувати їх для пошуків відповідей на питання про те, як кілька електронів взаємодіють один з одним, наприклад, чому кристали розташовуються у вигляді сот і як вони «плавляться». Відповіді на ці питання можуть дати нам уявлення про деякі з найбільш невловимих властивостей крихітних частинок.

Здатність приборкати електрони — чого вчені досягли, використовуючи найдрібніші відмінності в атомних структурах двох шарів вольфраму — знаменує собою неймовірне експериментальне досягнення, яке досі вислизало від найдосвідченіших лабораторій в галузі фізики.

Що ж відкриттів у квантовій механіці, то тут також можна очікувати новин – квантові флуктуації поблизу абсолютного нуля викликають квантово-фазові переходи між вільно поточними рідинами і квантовими кристалами, такими як кристали вігнера. Вважається, що ці квантові переходи важливі в багатьох інших квантових системах.

Кристал електронів вігнера (червоний) всередині напівпровідникового матеріалу.

Як тільки автори нового дослідження отримали кристал вігнера і почали вивчати його властивості, їх колеги з гарварду вирішили піддати отриману структуру «квантовому плавленню», яке, мабуть, схоже на звичайне плавлення, але в такому малому масштабі, що і уявити навряд чи можливо. І все ж, незважаючи на виникаючі складнощі, перший знімок вігнерівського кристала однозначно просуне дослідження вперед.

Так, наприклад, вже відомо, що кристали вігнера незначно змінили електронну структуру графена, яку міг вловити скануючий тунельний мікроскоп stm. Щоб переконатися, що вони створили саме кристал вігнера, фізикам довелося пінгувати його окремими фотонами, вибиваючи електрон і створюючи так званий «екситон», який вони змогли виявити.

Нове відкриття знаходиться прямо на межі матерії, що переходить від частково квантового матеріалу до частково класичного матеріалу, і володіє багатьма незвичайними і цікавими явищами і властивостями, – пише quana magazine з посиланням на авторів дослідження.

Кристали представляють величезний інтерес для вчених з самих різних областей науки.

І все ж, щоб остаточно зрозуміти, що предсавляют собою кристали вігнера і де їм можна знайти застосування, буде потрібноЧимало часу. Але ми, начебто, нікуди не поспішаємо. До того ж, вігнерівські кристали – далеко не єдині. Про те, що таке кристали часу і чому вчені ними одержимі, я розповідала в цій статті, рекомендую до прочитання.