Теория предполагала, как металл, который обычно проводит электричество, может превратиться в непроводящий изолятор, когда плотность электронов уменьшается. 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 в тысячи километров в секунду и создавать электрический ток. 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.
По крайней мере, так и было: 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.
Работа описана в новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, и знаменует собой большой шаг к созданию системы для изучения таких переходов между состояниями материи на квантовом уровне, что является долгожданной целью в этой области.
«Это прямо на границе перехода материи от частично квантового материала к частично классическому и имеет много необычных и интересных явлений и свойств», – сказал Юджин Демлер, старший автор статьи. «Сами кристалл был замечен, но этот своего рода первозданный переход – когда квантовая механика и классические взаимодействия конкурируют друг с другом – не был замечен. Прошло 86 лет."
Исследовательская группа под руководством Парка и Демлера сосредоточилась на наблюдении кристаллов Вигнера и их фазовых переходов в исследовании. В химии, физике и термодинамике фазовые переходы происходят, когда вещество переходит из твердого, жидкого или газообразного состояния в другое состояние. Когда квантовые флуктуации вблизи температуры абсолютного нуля вызывают эти переходы, они называются квантовыми фазовыми переходами. Считается, что эти квантовые переходы играют важную роль во многих квантовых системах.
В случае кристалла Вигнера переход от кристалла к жидкости происходит в результате конкуренции между классическим и квантовым аспектами электронов – первый доминирует в твердой фазе, в которой электроны «подобны частицам», и последний 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 электронное твердое тело-жидкость вызвала огромный теоретический и экспериментальный интерес."
Ученые из Гарварда сообщают об использовании новой экспериментальной техники, разработанной Ю Чжоу, Джихо Сун и Элиз Брутчеа – исследователями из Park Research Group и ведущими авторами статьи – для наблюдения перехода твердого тела в жидкость в атомарно тонких полупроводниковых бислоях. В общем, для вигнеровской кристаллизации требуется очень низкая электронная плотность, что делает ее экспериментальную реализацию серьезной экспериментальной задачей. Создав два взаимодействующих электронных слоя из двух атомарно тонких полупроводников, экспериментаторы создали ситуацию, в которой кристаллизация стабилизируется при более высоких плотностях.
Чтобы увидеть переход, исследователи использовали метод, называемый экситонной спектроскопией. Они используют 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 изменяет его свойства, чтобы их можно было увидеть оптически.
По словам исследователей, выводы, сделанные в статье, были в значительной степени случайными и явились неожиданностью.
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 предсказания [различных квантовых фазовых переходов] теперь могут быть проверены», – сказал Демлер.