Ερευνητές στο ETH Zurich ήταν σε θέση να δημιουργήσουν έναν κρύσταλλο που αποτελείται μόνο από ηλεκτρόνια, επαληθεύοντας μια πρόβλεψη που είχε γίνει πριν από 90 χρόνια.

Ομάδα ερευνητών της οποίας ηγήθηκε ο Ατάτς Ιμάμογλου, καθηγητής στο Ινστιτούτο Κβαντοηλεκτρονικής στο ETH Zurich, έφτιαξε τον πολύ ξεχωριστό αυτό κρύσταλλο, με τα αποτελέσματα της έρευνάς τους να δημοσιεύονται στο Νature.

Από το 1934 ο Γιουτζίν Βίγκνερ, ένας από τους ιδρυτές της θεωρίας της συμμετρίας στην κβαντομηχανική, είχε δείξει πως τα ηλεκτρόνια σε ένα υλικό μπορούσαν θεωρητικά να διαρρυθμιστούν σε κρυσταλλοειδή μοτίβα/ διατάξεις, λόγω της αμοιβαίας ηλεκτρικής απώθησης τους. Το σκεπτικό είναι πως αν η ενέργεια της ηλεκτρικής απώθησης μεταξύ των ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια της κίνησής τους, θα τοποθετούνται έτσι ώστε η συνολική τους ενέργεια να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη. Ωστόσο για δεκαετίες η πρόβλεψη αυτή παρέμενε σε καθαρά θεωρητικό επίπεδο, καθώς αυτοί οι κρύσταλλοι μπορούν να σχηματίζονται μόνο υπό ακραίες συνθήκες όπως χαμηλές θερμοκρασίες και ένας πολύ μικρός αριθμός ελεύθερων ηλεκτρονίων στο υλικό. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο ότι τα ηλεκτρόνια είναι χιλιάδες φορές ελαφρύτερα από τα άτομα, κάτι που σημαίνει ότι η ενέργεια της κίνησης τους σε μία κανονική διαρρύθμιση είναι πολύ μεγαλύτερη από ό,τι η ηλεκτροστατική ενέργεια, λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ των ηλεκτρονίων.

Ο Iμάμογλου και οι συνεργάτες του επέλεξαν ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα υλικού ημιαγωγού (molybdenum diselenide) με πάχος μόλις ενός ατόμου. Σε αυτό τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν μόνο σε ένα επίπεδο ,ενώ οι ερευνητές μπορούσαν να αλλάξουν τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων εφαρμόζοντας τάση σε δύο ηλεκτρόδια διάφανου γραφενίου μεταξύ των οποίων βρισκόταν ο ημιαγωγός.

Το επόμενο πρόβλημα ήταν να δείξουν πως επρόκειτο όντως για κρυστάλλους Βίγκνερ. Σε αυτό το πλαίσιο, οι φυσικοί κατάφεραν να κάνουν ορατή την κανονική διαρρύθμιση των ηλεκτρονίων παρά τη μικρή απόσταση μεταξύ τους: Για να το καταφέρουν αυτό χρησιμοποίησαν φως μιας συγκεκριμένης συχνότητας, ώστε να διεγείρουν τα αποκαλούμενα excitons στο στρώμα του ημιαγωγού. Όταν υπάρχει κρύσταλλος Βίγκνερ, τα κινούμενα excitons φαίνονται στατικά, εφόσον κινούνται σε μία συγκεκριμένη ταχύτητα η οποία ορίζεται από την απόσταση μεταξύ των ηλεκτρονίων που βρίσκονται στο εν λόγω κρυστάλλινο πλέγμα.

Αντίθετα με προηγούμενα πειράματα, όπου οι κρύσταλλοι είχαν παρατηρηθεί εμμέσως, επί της προκειμένης πρόκειται για μία απευθείας επιβεβαίωση της διαρρύθμισης των ηλεκτρονίων στον κρύσταλλο. Στο μέλλον οι ερευνητές ελπίζουν να διερευνήσουν το πώς ακριβώς οι κρύσταλλοι αυτοί σχηματίζονται από ένα άτακτο, χαοτικό «υγρό» που αποτελείται από ηλεκτρόνια.

Πηγή: naftemporiki.gr

(Κώστας Παπαζαχαρίου, αναδημοσίευση 8/7/2021)