Фізики вперше зняли дивний квантовий стан матерії

Учені вперше побачили, який вигляд має Вігнерівський молекулярний кристал.

Електрони зазвичай рухаються дуже швидко через будь-яку незв’язану матерію. Однак 1934 року фізик Юджин Вігнер припустив, що при низькій температурі та густині вільні електрони можуть формувати особливу квантову структуру – кристалічну решітку, яку пізніше назвали Вігнерівським кристалом. Три роки тому вчені отримали непрямі докази існування цієї форми матерії, а цього року вперше зробили її прямі зображення. Фізики також спостерігали новий різновид цього кристала – Вігнерівський молекулярний кристал.

Кристал – це структура, в якій атоми шикуються в певному порядку, утворюючи решітку з повторюваним візерунком. Вігнер припустив, що за низької густини і температури електрони можуть також вибудовуватися в кристалічну решітку. У цьому разі вони підкоряються законам квантової механіки, а не класичної фізики, що і робить Вігнерівський кристал квантовою формою матерії.

Фізики довго намагалися отримати зображення Вігнерівського молекулярного кристала. У звичайних Вігнерівських кристалах електрони формують структуру, схожу на стільники, а в молекулярних – створюють штучні “молекули” з двох і більше електронів.

За допомогою скануючого тунельного мікроскопа, що використовує квантове тунелювання, фізики вперше зробили зображення нового квантового стану матерії. Для цього вони створили наноматеріал – закручену муарову надгратку з дисульфіду вольфраму (tWS2), яку нанесли на шар гексагонального нітриду бору товщиною 49 нанометрів.

Зображення, отримані за допомогою скануючого тунельного мікроскопа, на яких видно, як електрони перетворюються на одну Вігнерівську молекулу (праворуч унизу). Фото: Berkeley Lab

Фізики виявили, що електрони, потрапляючи на tWS2, заповнюють кожний осередок матеріалу завширшки 10 нанометрів лише двома або трьома електронами. Це призвело до утворення масиву з “молекул”, який сформував Вігнерівський молекулярний кристал.

Вчені планують продовжити вивчення цього нового квантового стану, щоб зрозуміти, як його можна застосовувати в майбутньому.

Результати дослідження опубліковані в журналі Science і доступні на сайті препринтів arXiv.