Ερευνητές απεικονίζουν για πρώτη φορά έναν κρύσταλλο ηλεκτρονίων [Εικόνα]

Τα ηλεκτρόνια συνήθως περιφέρονται γύρω από τα άτομα τους, αλλά μια ομάδα φυσικών κατέγραψε τώρα τα σωματίδια σε μια πολύ διαφορετική κατάσταση: φωλιασμένα μεταξύ τους σε μια κβαντική φάση που ονομάζεται κρύσταλλος Wigner, χωρίς να υπάρχει πυρήνας.

Η φάση πήρε το όνομά της από τον Eugene Wigner, ο οποίος προέβλεψε το 1934 ότι τα ηλεκτρόνια θα κρυσταλλωθούν σε ένα πλέγμα όταν ορισμένες αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους είναι αρκετά ισχυρές. Η ομάδα χρησιμοποίησε την μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας υψηλής ανάλυσης (Scanning Tunneling Microscopy) για να απεικονίσει άμεσα τον προβλεπόμενο κρύσταλλο.

“Ο κρύσταλλος Wigner είναι μία από τις πιο συναρπαστικές κβαντικές φάσεις της ύλης που έχουν προβλεφθεί και το αντικείμενο πολυάριθμων μελετών που ισχυρίζονται ότι έχουν βρει, στην καλύτερη περίπτωση, έμμεσες αποδείξεις για τον σχηματισμό του“, δήλωσε ο Ali Yazdani, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Princeton και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.

Τα ηλεκτρόνια απωθούνται αμοιβαία: τους αρέσει να απομακρύνονται το ένα από το άλλο. Στη δεκαετία του 1970, μια ομάδα στα Bell Laboratories δημιούργησε έναν κρύσταλλο ηλεκτρονίων ψεκάζοντας τα σωματίδια σε ήλιο και παρατήρησαν ότι τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονταν σαν κρύσταλλος. Αλλά αυτό το πείραμα είχε κολλήσει στην κλασική πραγματικότητα. Το πρόσφατο πείραμα παρήγαγε έναν “πραγματικό κρύσταλλο Wigner”, σύμφωνα με την ομάδα, επειδή τα ηλεκτρόνια στο πλέγμα λειτουργούσαν ως κύμα και όχι ως μεμονωμένα σωματίδια κολλημένα μεταξύ τους.

Ο Wigner θεώρησε ότι αυτή η κβαντική φάση των ηλεκτρονίων θα προέκυπτε λόγω της αμοιβαίας απώθησης των σωματιδίων και όχι αντίθετα με αυτήν. Θα συνέβαινε όμως μόνο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες και σε συνθήκες χαμηλής πυκνότητας. Στο νέο πείραμα, η ομάδα τοποθέτησε ηλεκτρόνια μεταξύ δύο φύλλων γραφενίου που είχαν καθαριστεί εξαντλητικά από ατέλειες του υλικού. Στη συνέχεια, πάγωσαν τα δείγματα και εφάρμοσαν ένα μαγνητικό πεδίο κάθετο σε αυτό. Η υψηλότερη ένταση του μαγνητικού πεδίου ήταν 13,95 Tesla και η χαμηλότερη θερμοκρασία ήταν 210 millikelvin. Η τοποθέτηση των ηλεκτρονίων σε μαγνητικό πεδίο περιορίζει περαιτέρω την κίνησή τους, αυξάνοντας τις πιθανότητες να κρυσταλλωθούν.

“Υπάρχει μια εγγενής απώθηση μεταξύ των ηλεκτρονίων“, δήλωσε στην ίδια ανακοίνωση ο Minhao He, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Princeton και πρώτος συγγραφέας της εργασίας. “Θέλουν να σπρώξουν το ένα το άλλο μακριά, αλλά στο μεταξύ, τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να απέχουν απείρως λόγω της πεπερασμένης πυκνότητας. Το αποτέλεσμα είναι ότι σχηματίζουν μια στενά στοιβαγμένη, κανονικοποιημένη δομή πλέγματος, με κάθε ένα από τα εντοπισμένα ηλεκτρόνια να καταλαμβάνει ένα συγκεκριμένο χώρο“.

Η ομάδα εξεπλάγη από το γεγονός ότι ο κρύσταλλος Wigner παρέμεινε σταθερός σε μεγαλύτερο εύρος από το αναμενόμενο. Σε υψηλότερες πυκνότητες, όμως, η κρυσταλλική φάση υποχώρησε σε ένα υγρό από ηλεκτρόνια. Στη συνέχεια, οι ερευνητές ελπίζουν να απεικονίσουν πώς η κρυσταλλική φάση Wigner δίνει τη θέση της σε άλλες φάσεις ηλεκτρονίων κάτω από ένα μαγνητικό πεδίο.

Όλες αυτές οι μελέτες των «εξωτικών» υλικών θα βοηθήσουν τους φυσικούς να κατανοήσουν καλύτερα τη σύνθεση του Σύμπαντος και τους αινιγματικούς νόμους στους οποίους υπακούει!

[via]