Wyobraź sobie schemat przedstawiający atomową budowę kryształu. Uporządkowane w sieć atomy utrzymujące określone stałe odległości od siebie i tworzące powtarzający się wzór w przestrzeni. Z takimi kryształami mamy do czynienia na co dzień.
Niemal sto lat temu fizyk Eugene Wigner w swoim artykule naukowym przekonywał, że teoretycznie możliwe byłoby także stworzenie kryształu, którego elementami składowymi nie byłyby atomy a same elektrony.
Zważając na to, co wiemy o elektronach, trudno sobie to wyobrazić. Jakby nie patrzeć, elektrony to niezwykle ulotne cząstki, które zazwyczaj albo krążą wokół jądra atomowego, albo też swobodnie poruszają się w przestrzeni. Pomysł zatem, aby unieruchomić je i wstawić w ramy jakiejś struktury krystalicznej wydawał się osobliwy. Jakby nie patrzeć, mielibyśmy wtedy do czynienia z kryształem, który nie składa się z żadnych atomów.
Czytaj także: Czy kryształy mogą leczyć? Poznajmy prawdę na temat mocy kamieni
Jak się jednak okazuje, kryształ Wignera, nazwany tak na cześć pomysłodawcy, nie jest jedynie wytworem teoretycznym i może faktycznie istnieć w świecie rzeczywistym. Badacze wskazują, że jest to zdecydowanie jedna z najciekawszych faz kwantowych materii.
W jaki sposób może powstać kryształ Wignera?
Już sam Wigner zakładał, że gdyby udało się materię elektronową schłodzić do ekstremalnie niskich temperatur, zachowując niską gęstość, można by doprowadzić do sytuacji, w której odpychanie się jednoimiennych elektronów powinno sprawić, że energia potencjalna elektronów zdominuje ich skłonność do swobodnego przemieszczania się w przestrzeni i uwięzi je w strukturze, która będzie przypominała sieć krystaliczną.
Na przestrzeni lat naukowcy prognozowali teoretycznie właściwości takich struktur, a nawet odkrywali w swoich badaniach zachowania, które wskazywały na istnienie lub powstawania w trakcie eksperymentów kryształów Wignera, ale już samo zaobserwowanie i potwierdzenie istnienia tych struktur było znacznie trudniejsze i dotychczas ulotne.
Naukowcy z Uniwerstytetu w Princeton pracujący pod kierownictwem Yen-Chen Tsui postanowili spróbować wytworzyć elektronowy kryształ Wignera eksperymentalnie.
Zadanie nie było łatwe, bowiem do stworzenia struktury składającej się z samych elektronów, trzeba było zastosować możliwie najczystszy grafen, pozbawiony jakichkolwiek niedoskonałości atomowych. Między dwoma arkuszami niezwykle czystego grafenu schłodzonymi do zaledwie ułamka stopnia powyżej zera absolutnego przyłożono pole magnetyczne, które pozwoliło wyregulować gęstość gazu elektronowego między nimi.
Czytaj także: Kryształy samoczynnie się organizują. Właśnie odkryto 20 nowych struktur
Założenie było bowiem takie, że jeżeli gęstość gazu elektronowego będzie zbyt niska, elektrony rozlecą się we wszystkich kierunkach, jeśli natomiast będzie zbyt wysoka, zleją się w tzw. ciecz elektronową. Konieczne zatem było precyzyjne dostrojenie tego parametru, tak aby chęć odpychania elektronów była kontrowana przez inne elektrony. W efekcie wszystkie elektrony musiałyby się ułożyć w… sieć.
Następnie za pomocą metod skaningowej mikroskopii tunelowej badacze byli w stanie potwierdzić, że na etapie regulowania gęstości elektronów w przestrzeni w pewnym momencie pojawia się faza uporządkowanego kryształu.
Można zatem powiedzieć, że po raz pierwszy udało się stworzyć bezpośredni obraz kryształu, potwierdzając jego istnienie.
Dalsze analizy wykazały jeszcze jedną cechę tej unikalnej struktury. Okazało się, że gdy już kryształ Wignera powstanie, utrzymuje on swoją strukturę w znacznie większym zakresie gęstości, niż zakładano wcześniej. Tutaj jednak warto zauważyć, że w przeciwieństwie do klasycznych kryształów, elektrony nie zajmują punktowych miejsc w sieci, a wykazują silny ruch w punkcie zerowym. Elektrony poruszają się w zakresie odległości równym 1/3 odległości między elektronami tworzącymi sieć.
Mamy zatem do czynienia z zupełnie nowym rodzajem kryształu kwantowego. A tym samym potwierdza się stara prawda, że eksperymentalne potwierdzenie wcześniejszych przewidywań teoretycznych nie jest zwieńczeniem badań, a otwarciem nowych wrót, za którymi stoją kolejne pytania o naturę otaczającej nas rzeczywistości.