تصویرگیری از کریستال‌های الکترون مولکولی برای اولین بار فاز کوانتومی جدیدی را آشکار کرد
وقتی الکترون ها سرد می‌شوند، انرژی آنها کاهش می‌یابد و به دلیل دفع متقابل، در یک ساختار مستحکم شبکه ای قرار می‌گیرند. این تشکیل منحصر به فرد الکترونی به‌نام کریستال ویگنر (یا یخ الکترون) شناخته می‌شود.
این کریستال در فیزیک کوانتومی مهم است زیرا نشان می‌دهد چگونه ذرات باردار، مانند الکترون‌ها، می‌توانند الگوهای مرتبی تشکیل دهند. به محققان در کشف اثرات همزمان مکانیک کوانتومی و نیروهای الکترواستاتیکی کمک می‌کند.
«کریستال‌های مولکولی ویگنر مهم هستند زیرا ممکن است خواص انتقال و اسپین جدیدی نشان دهند که می‌تواند برای فناوری‌های کوانتومی آینده مانند شبیه‌سازی‌های کوانتومی مفید باشد،» محققان در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (LBL) اظهار داشتند .
برای اولین بار، محققان LBL توانسته‌اند تصاویر مستقیمی از کریستال مولکولی ویگنر را با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) —- تکنیکی تصویربرداری که تصاویر با وضوح بالا از مواد در مقیاس اتمی تولید می‌کند، ثبت کنند.
«ما اولین کسانی هستیم که این فاز کوانتومی جدید را مستقیماً مشاهده می‌کنیم، که کاملاً غیرمنتظره بود. این خیلی هیجان انگیز است،» گفت فنگ وانگ، یکی از نویسندگان مطالعات و فیزیکدان در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی.
چرا تصویربرداری از کریستال ویگنر اینقدر طول کشید؟
میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) با نزدیک کردن نوک فلزی بسیار تیز به سطح مورد مطالعه کار می‌کند. وقتی نوک به اندازه‌ای نزدیک است، جریان الکتریکی کوچکی می‌تواند بین نوک و سطح تونل بزند، حتی اگر تماس مستقیم وجود نداشته باشد.
با حرکت دادن نوک در سطح و اندازه‌گیری این جریان، STM نقشه‌ای دقیق از ساختار اتمی سطح ایجاد می‌کند. این امکان را به دانشمندان می‌دهد تا مواد را در مقیاس اتمی مشاهده کنند و خواص مواد را به‌طور عمیق درک کنند.
دانشمندان از دهه ۱۹۳۰ با کریستال ویگنر آشنا بودند و STM در سال ۱۹۸۱ توسعه یافت. اما برای سال‌ها، دانشمندان نتوانستند تصاویر کریستال ویگنر را تولید کنند، زیرا هر بار که تلاش می‌کردند، نوک STM باعث اختلال در آرایش الکترونی می‌شد.
تیم LBL راه‌حلی برای این مشکل پیدا کرد. آنها میدان الکتریکی را در نوک STM به حداقل ممکن کاهش دادند. این کار به آنها امکان داد بدون ایجاد اختلال، نگاهی نزدیک‌تر به کریستال ویگنر بیندازند.
معرفی یک پیچش در STM
وانگ و تیمش یک نانوماده منحصر به فرد با نام موری ویگنری تنگستن دی‌سولفید (tWS₂) ایجاد کردند، با قرار دادن لایه‌های نازک تنگستن دی‌سولفید در زاویه خاصی بر روی لایه بور نیترید به ضخامت ۴۹ نانومتر.
سپس آنها سوپرتالار tWS₂ را با الکترون‌های اضافی دپ کردند. با استفاده از STM، مشاهده کردند که افزودن الکترون‌ها سبب شد هر سلول واحد دو تا سه الکترون را نگه دارد که به یک کریستال مولکولی ویگنر سازماندهی شدند.
«دمای پایین همراه با پتانسیل انرژی ایجاد شده توسط سوپرتالار tWS 2 الکترون‌ها را به‌صورت محلی محدود می‌کند. تعامل بین مکانیک کوانتومی و تعامل الکترون-الکترون، الکترون‌های محلی را به حالت‌های مولکولی ویگنر می‌برد،» وانگ گفت.
مواد نانوپیچیده باعث شدند نوک STM دقیقا به‌طوری که محققان می‌خواستند کار کند و بالاخره، آنها تصاویر اولین‌بار از کریستال ویگنر را ثبت کردند. مرحله بعدی، محققان به مطالعه این فاز کوانتومی با جزئیات خواهند پرداخت و از کاربردها آنها بهره‌برداری خواهند کرد.
این مطالعه در مجله Science منتشر شده است.
