Wissenschaftlern ist es zum ersten Mal in der Geschichte gelungen, einen Wigner-Kristall zu erhalten, der nur aus Elektronen besteht
Ingenieuren der ETH Zürich ist es erstmals in der Geschichte gelungen, einen echten Kristall zu erhalten, der ausschließlich aus Elektronen besteht. Die sogenannten Wigner-Kristalle wurden vor 90 Jahren theoretisch vorhergesagt, aber erst jetzt konnten sie direkt in einem Halbleitermaterial live beobachtet werden.
Wie es möglich war, einen Kristall aus Elektronen zu erzeugen und zu beobachten
Unter normalen Bedingungen ähnelt das Verhalten von Elektronen dem Verhalten einer Flüssigkeit, die frei durch ein Material fließt. Aber schon 1934 hat der theoretische Physiker Yu. Wigner formulierte eine Theorie, nach der eine Gruppe von Elektronen durchaus in der Lage ist, in eine feste Form zu kristallisieren und eine Phase zu bilden, die heute als Wigner-Kristall bezeichnet wird.
Laut Theorie muss man dafür also das ideale Gleichgewicht zwischen Kräften wie elektrostatischer Abstoßung und Bewegungsenergie "fangen".
Die Bewegungsenergie ist also ein viel stärkerer Faktor, der Elektronen in verschiedene Richtungen prallen lässt. Könnte diese Kraft aber reduziert werden (nach Wigners Annahme), dann würde die abstoßende Kraft stärker auf die Elektronen einwirken und sie somit in ein homogenes Gitter einschließen.
Über viele Jahrzehnte hinweg versuchten verschiedene Gruppen von Ingenieuren, Wigners Theorie zu bestätigen und einen aus Elektronen bestehenden Kristall zu schaffen, was sich jedoch als ziemlich schwierige Aufgabe herausstellte.
Dafür müssen Sie schließlich die Elektronendichte reduzieren. Darüber hinaus müssen sie in einer "Falle" fixiert und auch auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, um den Einfluss externer Faktoren auf sie zu minimieren.
Wie der Wigner-Kristall gewonnen wurde
Und nur Wissenschaftler der ETH Zürich schafften es, alle Voraussetzungen für den Erhalt eines Wigner-Kristalls zu erfüllen. Um Elektronen einzuschließen, wurde eine einatomige Schicht aus Molybdändiselenid verwendet, die die Elektronen effektiv auf zwei Dimensionen begrenzte.
Um die Anzahl der Elektronen zu kontrollieren, spannten die Ingenieure dieses Material zwischen zwei Graphenelektroden und legten eine Mindestspannung an. Und so wurde diese Struktur auf fast den absoluten Nullpunkt abgekühlt.
Als Ergebnis solcher Manipulationen erschien der Wigner-Kristall. Dies war jedoch nur die halbe Miete, denn der Abstand zwischen den Elektronen erwies sich als so klein (ca. 20 Nanometer), dass der Kristall mit einem Mikroskop nicht zu sehen war.
Um den Kristall zu visualisieren, entschieden sich die Wissenschaftler, eine neue Methode anzuwenden. Es wurde beschlossen, einen Lichtstrahl mit einer festen Frequenz auf das Material zu richten, um den Anregungsprozess der sogenannten "Excionen" im Halbleiter starten, die Licht emittieren zurück.
Wenn Wigner-Kristalle vorhanden sind, sollten die Extionen stationär erscheinen, wenn sie Licht zurückreflektieren.
Außerdem sollte sich dieser Effekt in den beobachteten Anregungsfrequenzen von Exzionen manifestieren, und genau das haben die Wissenschaftler bei ihrem Experiment zum Erhalt eines Wigner-Kristalls beobachtet.
Wissenschaftler haben die Ergebnisse der Arbeit auf den Seiten der Zeitschrift Nature geteilt.
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