Τα ηλεκτρόνια είναι πανέμορφα μικρά πραγματάκια, που συνήθως γυρνάνε γύρω σε τροχιά γύρω από τους ατομικούς πυρήνες, ενώ άλλες φορές είναι ελεύθερα και έχουμε το ρεύμα που τροφοδοτεί όλες τις συσκευές μας και έφερε την επανάσταση της τεχνολογίας.
Πριν από 90 χρόνια ο θεωρητικός φυσικός Eugene Wigner πρότεινε πως τα ηλεκτρόνια μπορούν να κρυσταλοποιηθούν σε ένα πλέγμα, μέσω πολύ ισχυρών αλληλεπιδράσεων μεταξύ τους. Η ομάδα χρησιμοποίησε την μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας υψηλής ανάλυσης (Scanning Tunneling Microscopy) για να απεικονίσει άμεσα τον κρύσταλλο
Ο κρύσταλλος είναι γνωστός και ως Wigner κρύσταλλος και πλέον οι φυσικοί έχουν ορατές αποδείξεις πως υπάρχει.
«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.
«Η οπτικοποίηση αυτού του κρυστάλλου μας επιτρέπει όχι μόνο να παρακολουθούμε τον σχηματισμό του, επιβεβαιώνοντας πολλές από τις ιδιότητές του, αλλά μπορούμε επίσης να τον μελετήσουμε με τρόπους που δεν μπορούσατε στο παρελθόν».
Σαν κρύσταλλος περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίο τα άτομα μπορούν να διαταχθούν για να σχηματίσουν στερεά ύλη. Στα τυπικά κρυσταλλικά υλικά, τα άτομα συνδέονται μεταξύ τους με τρόπο που σχηματίζει ένα επαναλαμβανόμενο σχέδιο στον χώρο.
Η εργασία του Wigner το 1934 ήταν πρωτοποριακή και περιέγραφε πως τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να σχηματίσουν παρόμοιες δομές, υποβοηθούμενα από την αμοιβαία απόκρουση που δημιουργείται από το αρνητικό τους φορτίο.
Σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες όμως και σε χαμηλές πυκνότητες, η απωστική αλληλεπίδραση μεταξύ των ηλεκτρονίων, σύμφωνα με την μελέτη, δημιουργείται η κβαντική φάση των ηλεκτρονίων που τους επιτρέπει την κρυσταλλοποίηση.
Αυτοί οι κρύσταλλοι δεν συμπεριφέρονται με βάση την κλασσική φυσική, αλλά την κβαντική μηχανική. Αυτό σημαίνει πως τα συνδεδεμένα ηλεκτρόνια δεν συμπεριφέρονται σαν διακριτά σωματίδια, αλλά σαν ένα ξεχωριστό κύμα.
Μια ποικιλία πειραμάτων που περιλαμβάνουν δισδιάστατα συστήματα, έχουν σχεδιαστεί για να ανιχνεύουν τα αποτελέσματα αυτής της συμπεριφοράς. Αυτά έχουν βρει έμμεσες ενδείξεις κρυστάλλων Wigner, αλλά οι άμεσες αποδείξεις ήταν λίγο πιο δύσκολες.
«Υπάρχουν κυριολεκτικά εκατοντάδες επιστημονικές εργασίες που μελετούν αυτά τα αποτελέσματα και ισχυρίζονται ότι τα αποτελέσματα πρέπει να οφείλονται στον κρύσταλλο Wigner”, λέει ο Yazdani , “αλλά δεν μπορεί κανείς να είναι σίγουρος, επειδή κανένα από αυτά τα πειράματα δεν βλέπει πραγματικά τον κρύσταλλο.»
Έχοντας κατά νου τα ελαττώματα αυτών των πειραμάτων, μια ομάδα με επικεφαλής τους φυσικούς Yen-Chen Tsui, Minhao He και Yuwen Hu του Πανεπιστημίου του Πρίνστον σχεδίασαν ένα πείραμα που ήλπιζαν ότι θα λύσει προηγούμενα προβλήματα και θα αποκάλυπτε τον κρύσταλλο.
Έτσι, με χρήση μαγνητικών πεδίων κατάφεραν να επάγουν έναν κρύσταλλο ηλεκτρονίων Wigner σε γραφένιο. Όμως δεν ήταν οποιοδήποτε γραφένιο. Το υλικό έπρεπε να είναι τόσο δυνατό όσο και παρθένο, για να μην έχουν επιπτώσεις από ατομικές ατέλειες.
Δύο φύλα γραφενίου παρασκευάστηκαν και τοποθετήθηκαν σε μια συγκεκριμένη συστοιχία, πριν ψυχθούν σχεδόν στο απόλυτο 0 (0 βαθμοί Kelvin ή -273 βαθμοί Κελσίου). Στην συνέχεια ένα μαγνητικό πεδίο εφαρμόστηκε, ώστε να συντονιστεί η πυκνότητα του αερίου ηλεκτρονίων που βρίσκεται ανάμεσα στα στρώματα γραφενίου.
Και μπροστά στα μάτια τους εμφανίστηκε ο κρύσταλλος Wigner σε όλο του το μεγαλείο. Έπρεπε όμως να διατηρήσουν μια ισορροπία. Εάν η πυκνότητα ήταν πολύ χαμηλή, τα ηλεκτρόνια θα έσπρωχναν το ένα το άλλο. Αν ήταν πολύ υψηλή τα ηλεκτρόνια θα κατέληγαν σε ένα υγρό υλεκτρονίων.
Σε εκείνο το σημείο, τα ηλεκτρόνια απωθούν το ένα το άλλο, όμως η φυγή τους αποκόπτεται από άλλα ηλεκτρόνια. Έτσι, το σύστημα έρχεται σε μια ισορροπία, διατηρώντας όσο γίνεται, ίση απόσταση μεταξύ τους.
Για τη μέτρηση αυτής της κρυσταλλικής φάσης, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας υψηλής ανάλυσης ( STM ) για να τη μετρήσουν. Το STM χρησιμοποιεί κβαντική σήραγγα για να ανιχνεύσει υλικά σε ατομική κλίμακα, όπου το οπτικό μικροσκόπιο δεν μπορεί να φτάσει.
“Στο πείραμά μας, μπορούμε να απεικονίσουμε το σύστημα καθώς συντονίζουμε τον αριθμό των ηλεκτρονίων ανά μονάδα επιφάνειας. Απλώς αλλάζοντας την πυκνότητα, μπορείτε να ξεκινήσετε αυτή τη μετάβαση φάσης και να βρείτε τα ηλεκτρόνια να σχηματίζονται αυθόρμητα σε έναν διατεταγμένο κρύσταλλο”, εξηγεί ο Tsui .
“Η δουλειά μας παρέχει τις πρώτες άμεσες εικόνες αυτού του κρυστάλλου. Αποδείξαμε ότι ο κρύσταλλος είναι πραγματικά εκεί και μπορούμε να τον δούμε.”
Ηλιακά ιστία διαστημικών σκαφών από τη NASA, για ατελείωτη ενέργεια στο Βαθύ Διάστημα
Η απεικόνιση, αλλά και οι μετρήσεις που πήραν, επιβεβαίωσαν όλα τα μοντέλα που περιγράφουν το πλέγμα ηλεκτρονίων, όταν περιορίζεται σε ένα χώρο δύο διαστάσεων.
«Τα ηλεκτρόνια, ακόμη και όταν παγώσουν σε κρύσταλλο Wigner, θα πρέπει να παρουσιάζουν ισχυρή κίνηση μηδενικού σημείου», λέει ο Yazdani . “Αποδεικνύεται ότι αυτή η κβαντική κίνηση καλύπτει το ένα τρίτο της απόστασης μεταξύ τους, καθιστώντας τον κρύσταλλο Wigner έναν νέο κβαντικό κρύσταλλο.”
Τα ευρήματα έχουν δημοσιευθεί στο Nature .
Ακολουθήστε το Techmaniacs.gr στο Google News για να διαβάζετε πρώτοι όλα τα τεχνολογικά νέα. Ένας ακόμα τρόπος να μαθαίνετε τα πάντα πρώτοι είναι να προσθέσετε το Techmaniacs.gr στον RSS feeder σας χρησιμοποιώντας τον σύνδεσμο: https://techmaniacs.gr/feed/.
