Unser Planet ist unglaublich. Das Leben darauf ist so vielfältig, dass es viele Körper und Substanzen gibt, sowohl natürliche (Tiere und Menschen, Planeten und Sterne) als auch künstliche (von Menschenhand geschaffene). Diese Stoffe und Körper sind fest und flüssig, beispielsweise Wasser und Kristalle. Letztere sind besonders interessant, da es sich um Festkörper handelt, deren Atome regelmäßig angeordnet sind und das sogenannte Kristallgitter bilden. Tatsächlich ist der natürliche Zustand eines Kristalls die Form regelmäßiger symmetrischer Polyeder, die auf ihrer inneren Struktur beruht. Das heißt, an einer von mehreren spezifischen und regelmäßigen Anordnungen, aus denen die Substanz der Teilchen (Ionen, Atome und Moleküle) besteht. Stimmen Sie zu, es ist wirklich interessant. So dachte 1934 Eugene Wigner, einer der Begründer der Symmetrietheorie in der Quantenmechanik. Er sagte voraus, dass sich Elektronen in Materialien theoretisch in regelmäßigen Kristallstrukturen anordnen könnten, indem sie sich gegenseitig abstoßen. Wenn also die Energie der Kristallabstoßung zwischen einem Elektronenpaar größer ist als die Energie ihrer Bewegung, führt ihre Position dazu, dass die Gesamtenergie am niedrigsten ist, und wir erhalten ein System ähnlich einem Festkörper .
Physiker haben das erste Bild eines Wigner-Kristalls gemacht – ein seltsames Material mit einem Zellmuster in einem anderen Material, das vollständig aus Elektronen besteht.
Wigner-Kristalle
Trotz der Gedanken des berühmten Physikers , blieben seine Kristalle jahrzehntelang eine ausschließlich theoretische Konstruktion. Der Grund dafür ist, dass sich Wigner-Kristalle nur bei extrem niedrigen Temperaturen und einer geringen Menge an freien Elektronen im Material bilden können.
Erinnern wir uns daran, dass die Bewegungsenergie von Elektronen die Energie elektrostatischer Wechselwirkungen deutlich übersteigt. Dieser Faktor verhindert die Anordnung von Teilchen, die viele tausendmal leichter als Atome sind, in einem einzigen System.
Nobelpreisträger, theoretischer Physiker Eugene Wigner.
Die von Wigner gestellte Frage ist seit langem die führende Herausforderung auf dem Gebiet der Physik der kondensierten Materie: Elektronen im Inneren eines Leiters wechselwirken unter normalen Bedingungen praktisch nicht miteinander. Aber es lohnt sich, die Bedingungen zu ändern, denn Elektronen beginnen zu gefrieren und verwandeln sich in ein feststoffähnliches System. Es ist jedoch unglaublich schwierig, einen solchen Kristall mit einer Kamera einzufangen, daher mussten die Autoren der neuen Studie kreativ werden.
Wigner-Kristall ist ein Kristall, in dem Elektronen streng geordnet, und die potentielle Energie ihrer Bindung übersteigt die kinetische Energie der Bewegung.
Erstellen Sie etwas, das nicht existiert
Den Autoren der neuen Studie, die am 29. September in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, ist es (wenn auch nicht zum ersten Mal) gelungen, den plausibelsten Wigner-Kristall herzustellen und sogar seine Eigenschaften zu untersuchen. Die von Wissenschaftlern gesammelten visuellen Daten sind der überzeugendste Beweis für die Existenz dieser erstaunlichen Objekte.
In der Vergangenheit haben viele Forscher Wigner-Kristalle hergestellt, und Nature News stellt fest, dass sie einige überzeugende Beweise hatten. Im Sommer dieses Jahres schufen also drei separate Forschergruppen gleichzeitig einen Kristall, der vollständig aus Elektronen besteht.
Das atemberaubende erste Bild eines Wigner-Kristalls zeigt Elektronen, die zu einem dichten, sich wiederholenden Muster komprimiert sind, wie die winzigen Flügel eines blauen Schmetterlings.
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Um zu verstehen, wie es Physikern gelungen ist, einen Wigner-Kristall herzustellen, erinnern Sie sich daran, dass in gewöhnlichen Leitern wie Silber oder Kupfer oder Halbleitern wie Silizium Elektronen so schnell rasen, dass sie kaum Zeit haben, miteinander zu interagieren. Bei sehr niedrigen Temperaturen verlangsamen sie sich jedoch und beginnen zu “kriechen”, und die Abstoßung zwischen negativ geladenen Elektronen beginnt sich durchzusetzen. Somit stoppen diese unglaublich schnellen und beweglichen Partikel und ordnen sich in einem sich wiederholenden Wabenmuster an, während der Gesamtenergieverbrauch minimiert wird .
Um die Entstehung eines Wigner-Kristalls in Erwägung zu ziehen, arbeiteten die Forscher mit ein Atom dicken Halbleitern, die auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt waren: Physiker hielten Elektronen in einer Lücke zwischen einer atomdicken Schicht zweier Wolfram-Halbleiter gefangen. Dann, indem sie ein elektrisches Feld über die Lücke verfolgten (um potenziell schädliche überschüssige Elektronen loszuwerden), kühlten die Wissenschaftler ihr & # 171;-Elektronik-Sandwich & # 187; bis zu 5 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Und siehe da – die einst schnellen Elektronen haben aufgehört und sich in der sich wiederholenden Struktur des Wigner-Kristalls niedergelassen.
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Physiker erlangten die Fähigkeit, die Bewegung von Elektronen zu verlangsamen und sie in eine kristalline Struktur zu verwandeln.
Dann untersuchten die Forscher mit einem Gerät namens Rastertunnelmikroskop (STM) den resultierenden Kristall. Laut Live Science funktionieren STMs, indem sie eine kleine Spannung an eine scharfe Metallspitze anlegen, bevor sie direkt über das Material geschossen wird.
Dadurch springen Elektronen von der Spitze auf die Oberfläche des Materials. Die Geschwindigkeit, mit der Elektronen von der Spitze abprallen, hängt davon ab, was sich darunter befindet, sodass Forscher ein Braille-ähnliches Bild von 2D-Oberflächenkonturen erstellen können, indem sie den über die Oberfläche an jedem Punkt fließenden Strom messen, so die Autoren des Studienberichts.
Der vom STM gelieferte Strom war jedoch zunächst zu hoch für das dünne Elektroneneis, das & # 171; Schmelzen & # 187; er bei Kontakt. Um dies zu stoppen, fügten die Wissenschaftler direkt über dem Wigner-Kristall eine einatomige Graphenschicht ein, die es dem Kristall ermöglichte, mit dem Graphen zu interagieren. Diese Interaktion wiederum kann den STM sicher lesen (fast wie ein Kopierer).
Warum brauchen wir Wigner-Kristalle?
Mit überzeugenden Beweisen für diese erstaunlichen Objekte können Wissenschaftler also Antworten auf Fragen finden, wie mehrere Elektronen miteinander interagieren, beispielsweise warum Kristalle in Form von Waben angeordnet sind und wie sie 'schmelzen' ;. Die Beantwortung dieser Fragen kann uns Einblicke in einige der schwer fassbaren Eigenschaften winziger Partikel geben.
Die Fähigkeit, Elektronen zu zähmen – die Wissenschaftler durch die Ausnutzung winziger Unterschiede in den Atomstrukturen zweier Wolframschichten erreicht haben – stellt eine unglaubliche experimentelle Leistung dar, die den besten Laboratorien der Physik bisher entgangen ist.
< p> Na dann, Entdeckungen in der Quantenmechanik, dann können wir auch hier Neuigkeiten erwarten – Quantenfluktuationen nahe dem absoluten Nullpunkt verursachen Quanten-Phasenübergänge zwischen frei fließenden Flüssigkeiten und Quantenkristallen, wie zB Wigner-Kristallen. Es wird angenommen, dass diese Quantenübergänge in vielen anderen Quantensystemen wichtig sind.
Wigners Elektronenkristall (rot) in einem Halbleitermaterial.
Sobald die Autoren der neuen Studie den Wigner-Kristall erhielten und begannen, seine Eigenschaften zu untersuchen, beschlossen ihre Kollegen in Harvard, die resultierende Struktur einem “Quantenschmelzen” zu unterziehen, das anscheinend dem gewöhnlichen Schmelzen ähnelt , aber in so kleinem Maßstab und kaum vorstellbar. Und doch wird das erste Bild eines Wigner-Kristalls trotz der auftretenden Schwierigkeiten die Forschung definitiv voranbringen.
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So ist beispielsweise bereits bekannt, dass Wigner-Kristalle die elektronische Struktur von Graphen geringfügig veränderten, was mit dem STM-Rastertunnelmikroskop erfasst werden konnte. Um sicherzustellen, dass sie den Wigner-Kristall geschaffen haben, mussten die Physiker ihn mit einzelnen Photonen anpingen, ein Elektron herausschlagen und ein sogenanntes “Exziton” erzeugen, das sie nachweisen konnten.
< p>Die neue Entdeckung befindet sich direkt an der Grenze der Materie, bewegt sich von teils Quantenmaterial zu teils klassischem Material und weist viele ungewöhnliche und interessante Phänomene und Eigenschaften auf, schreibt das Quana Magazine unter Berufung auf die Autoren der Studie.
Kristalle sind für Wissenschaftler aus verschiedenen Wissenschaftsgebieten von großem Interesse.
Und doch, um endlich zu verstehen, wofür sie stehen Wigner-Kristalle sind und wo sie verwendet werden können, wird lange dauern. Aber wir scheinen es nicht eilig zu haben. Darüber hinaus sind Wigner-Kristalle bei weitem nicht die einzigen. Ich habe in diesem Artikel darüber gesprochen, was Zeitkristalle sind und warum Wissenschaftler von ihnen besessen sind, und ich empfehle, sie zu lesen.