Группа физиков из MIT и Принстона экспериментально подтвердила способность электронов образовывать вигнеровский кристалл — выстраиваться в упорядоченные в пространстве структуры внутри полупроводника, и впервые наблюдала плавление кристалла при увеличении плотности электронов.
Физикам впервые удалось создать и расплавить электронный кристалл
Jose-Luis Olivares/MIT (Wigner crystal image courtesy of Arunas.rv/CC BY-SA 3.0

Кристалл в физике — это такая система, собственная энергия которой намного выше, чем кинетическая. Существование таких систем, состоящих не из атомов или молекул, а из электронов, предсказал в 1934 году физик Юджин Вигнер. В 1974 году его удалось получить в эксперименте с жидким гелием, однако природа эксперимента не позволила наблюдать «плавление» кристалла — переход электронов в менее упорядоченное состояние.

Для того, чтобы создать кристалл, ученые воспользовались эффектом туннельного перехода, при котором частицы преодолевают барьер, если их энергия меньше высоты барьера. Пропуская электроны через полупроводник, ученые создали двумерную структуру, состоящую из электронов заданных энергий. Приборы, измеряющие энергию электронов, показали пик, который после длительного изучения признали признаком того, что электроны сформировали кристалл и «вибрируют в унисон». «Вибрация» здесь, конечно, просто фигура речи, которая позволяет представить синхронизацию энергий частиц.

Затем ученые увеличили плотность кристалла, и пик постепенно сошел на нет. Так физики доказали, что кристалл «растаял», перейдя в состояние «электронной жидкости».

При нормальных условиях электроны отталкиваются друг от друга. Вигнер предположил, что при близких к абсолютному нолю температурах те же кулоновские силы, что обычно отталкивают частицы с одинаковым зарядом, сформируют некоторое подобие решетки, и электроны, которые окажутся в узлах этой решетки превратятся в кристалл. Такой кристалл не будет пропускать электрический ток в веществе, которое обычно выступает как проводник.

По пресс-релизу Массачусетского технологического университета; результаты эксперимента опубликована в журнале Nature Physics.