Scoperta fondamentale: prima osservazione diretta di un cristallo Wegener

Un cristallo di Wigner è una struttura composta interamente da elettroni e fu previsto dal fisico ungherese Eugene Wigner nel 1934. La sua teoria afferma che in determinate condizioni, gli elettroni si organizzano in un reticolo, per minimizzare la loro energia totale.

Per la prima volta i fisici dell'Università di Princeton hanno ottenuto prove dirette dell'esistenza di questa misteriosa formazione cristallina. La loro ricerca potrebbe portare alla scoperta di nuove fasi quantistiche della materia, quando gli elettroni agiscono collettivamente.

Gli elettroni sono particelle elementari caricate negativamente, distribuite in una nuvola attorno ai nuclei atomici. Ora sappiamo che queste particelle partecipano ai fenomeni fisici e chimici più conosciuti. Fu scoperto alla fine del XIX^H Tuttavia, gli elettroni continuavano ad affascinare gli scienziati fino al XX secolo inoltrato.

Novant'anni fa, Eugene Wigner dimostrò che, a causa della loro mutua repulsione, gli elettroni potevano teoricamente organizzarsi spontaneamente in schemi regolari, simili alle strutture cristalline. ” Quando pensiamo ad un cristallo, solitamente pensiamo all'attrazione tra atomi come ad una forza stabilizzante, ma questo cristallo si forma solo a causa della repulsione tra gli elettroni », Ali Yazdani spiegaco-direttore del Princeton Quantum Institute e direttore del Centro per i materiali complessi dell'università.

La struttura è stata a lungo nel campo della teoria

In teoria, questa disposizione specifica richiede condizioni specifiche: una temperatura molto bassa e una bassa densità elettronica. Infatti, se la loro energia repulsiva è maggiore della loro energia cinetica, si disporranno in modo tale che la loro energia totale sia minima.

Lo strano cristallo elettronico di Wigner rimase per molti anni nel regno della teoria. I primi esperimenti per verificare questa teoria furono condotti negli anni ’70, ma allora gli elettroni si comportavano più come singole particelle che come una struttura coerente. A quel tempo, gli scienziati stavano cercando di creare un cristallo Wegener spargendo elettroni sulla superficie dell'elio. Altri metodi emersero nei decenni successivi.

Negli anni ’80 e ’90, i fisici scoprirono come confinare il movimento degli elettroni in strati atomicamente sottili utilizzando semiconduttori. L'applicazione di un campo magnetico perpendicolare a un sistema elettronico 2D sopprime fortemente l'energia cinetica degli elettroni. Ciò favorisce la formazione di cristalli Wegener a densità elettroniche più elevate.

Tuttavia, questi esperimenti non hanno mai permesso di osservare direttamente il cristallo. Nella migliore delle ipotesi, i fisici hanno ottenuto prove indirette della sua formazione. Pertanto, era difficile distinguere tra vera cristallizzazione e localizzazione del disordine. ” Esistono centinaia di articoli scientifici che studiano questi effetti e Conferma I risultati devono essere dovuti al cristallo di Wegener, ma non possiamo esserne sicuri, perché nessuno di questi esperimenti è riuscito a vedere effettivamente il cristallo “Ha detto Yazdani.

Immagine unica grazie al grafene ultrapuro

L'osservazione di un cristallo Wegener è più complessa perché la struttura periodica del materiale utilizzato, o anche minimi difetti, possono indurre a credere alla formazione di un cristallo elettronico. Di conseguenza, gli sperimentatori credono di assistere alla formazione di un cristallo Wegener organizzato e auto-organizzante, quando in realtà si tratta solo di elettroni “bloccati” vicino alla carenza o intrappolati dalla struttura del materiale.

Yazdani e il suo team hanno anche provato a osservare direttamente questo cristallo, utilizzando grafene puro e privo di difetti. Per ottenere questo materiale, hanno staccato due fogli di carbonio in una configurazione a doppio strato chiamata “pila Bernal”. Dopo aver raffreddato il grafene a una temperatura vicina allo zero assoluto, hanno applicato un campo magnetico perpendicolare al campione. Ciò ha creato un sistema bidimensionale di gas di elettroni all’interno di sottili strati di grafene.

In questo modo, sono riusciti a regolare la densità elettronica tra i due strati. A bassa densità, gli elettroni sono distanti e in uno stato disordinato. Aumentando gradualmente il numero di elettroni per unità di area, le forze repulsive tra di loro si intensificano. Si allontanano a vicenda. Ma non potendo separarsi (a causa della densità specifica), si organizzano spontaneamente in una struttura a rete compatta e regolare. Ogni elettrone è al suo posto e occupa uno spazio limitato.

I ricercatori hanno potuto osservare il cristallo Wegener direttamente utilizzando un microscopio a scansione tunnel. Questo strumento sfrutta un fenomeno quantistico, l'effetto tunnel, per osservare le superfici a livello atomico e subatomico. ” Il nostro lavoro fornisce le prime immagini dirette di questo cristallo. Abbiamo dimostrato che il cristallo esiste realmente e possiamo vederlo “, riassume Yin-Chen Cui, studente laureato in fisica e primo autore dello studio che descrive l’esperimento, Pubblicato in natura.

Il risultato della pura repulsione tra gli elettroni

Utilizzando le immagini, i ricercatori sono stati in grado di esaminare le proprietà strutturali del cristallo. Ne hanno studiato il comportamento in funzione della densità elettronica applicata, del campo magnetico e della temperatura. Ad alto campo e bassa temperatura, hanno osservato un cristallo di Wigner con un reticolo triangolare. Questo viene costantemente regolato in base alla densità elettronica.

L'aumento di densità o temperatura ha causato la fusione del cristallo in una fase liquida isotropa. Tuttavia, Yazdani e i suoi colleghi hanno osservato che il cristallo Wegener è relativamente stabile per un periodo di tempo molto lungo. Ma questa osservazione contraddice ciò che suppongono molti scienziati. ” Permettendo di modificare continuamente la costante reticolare, l'esperimento ha dimostrato che la struttura cristallina è il risultato della pura repulsione tra gli elettroni », Soline Yazdani.

L'esperimento ha rivelato molti altri fenomeni interessanti. Ad esempio, la posizione di ciascun elettrone nel reticolo appare nelle immagini con un certo grado di “sfocatura”. Pertanto questo luogo non sarà definito da un punto, ma piuttosto da un insieme di posizioni in cui sono confinati gli elettroni. I ricercatori chiamano questo “movimento quantistico degli elettroni al punto zero”.

L'entità di questa sfocatura riflette la natura quantistica del cristallo di Wigner. ” Gli elettroni, anche se congelati in un cristallo di Wigner, dovrebbero mostrare un forte movimento nel punto zero. Si scopre che questo movimento quantistico copre un terzo della distanza tra loro, rendendo il cristallo di Wigner un nuovo cristallo quantistico “, spiega Yazdani.

Il team sta ora studiando come il cristallo si trasforma in altre fasi liquide elettroniche. Spera di poter immaginare queste strane fasi allo stesso modo del cristallo di Wegener.