Пробуждането на квантовия гигант: визуализираха Вигнеров кристал от „замразени електрони“

Изследването разкрива нови възможности за квантовата физика и квантовите технологии. След цели 86 години учените успяха да създадат кристал, съставен единствено от електрони. Да се изградят кристали от атоми и молекули не е особено трудно. Но как може да се направи кристал само от електрони?

За първи път учените успяха да визуализират квантов кристал от замразени електрони. Това е така нареченият кристал на Вигнер. Откритието, направено от физици от Принстънския университет, потвърждава съществуващата от повече от 90 години теория, че електроните могат да се самоорганизират в кристална структура. При това без да е необходимо да се обособяват около атоми. Изследването, публикувано в списание Nature , открива нови перспективи за изучаване на квантовите състояния на материята.

Електроните, въпреки десетилетията изследване, продължават да изненадват учените с поведението си. През 30-те години на миналия век Юджийн Вигнер, професор по физика в Принстънския университет и носител на Нобелова награда, предполага, че електроните могат спонтанно да се подреждат в кристална решетка. Това е възможно поради взаимното им отблъскване при ниски температури и плътност.

Обикновените кристали – като диаманти или кварц – се състоят от атоми, подредени във фиксирана, триизмерна повтаряща се решетъчна структура. Дълго време кристалът на Вигнер остава само теоретична концепция, докато учените не разработват нови и нови техники за неговото визуализиране. Пробивът е постигнат чрез използване на сканиращ тунелен микроскоп за наблюдение положението на електроните на атомно ниво. Този метод даде възможност за пряко наблюдение на образуването на Вигнеров кристал.

Изследователите от Принстънския университет са охладили системата от електрони на повърхността на полупроводник до температури малко над абсолютната нула, при които електроните започват да се държат като едно цяло, образувайки стабилна решетка. Прилагането на магнитно поле допълнително стабилизира структурата на кристала и позволява на учените да изследват по-подробно неговите свойства.

Експериментите показаха, че кристалът на Вигнер има триъгълна конфигурация и може да съществува стабилно в широк диапазон от плътности, което противоречи на предишните предположения за неговата нестабилност. Установено е също така, че всеки електрон в решетката е локализиран в определен диапазон, а не в точка, което е свързано с принципа на неопределеност на Хайзенберг. Това подчертава квантовата природа на Вигнеровия кристал.

Откриването на кристала на Вигнер не само потвърждава отдавнашната теория, но и открива нови насоки в изследването на квантовите материали, които биха могли да доведат до пробив в квантовите изчисления и съхранението на информация в бъдеще.

Учените са успели да наблюдават образуването на няколко вигнерови кристала с различни симетрии вътре в магнитния капан. Сега изследователите искат да направят системата по-стабилна, за да наблюдават по-сложни форми на симетрия на електронните кристали.