Ученые впервые получили «электронный лед» на молекулярном уровне

Новости МирТесен

Долгое время ученым не удавалось зафиксировать изображения молекулярного электронного льда, поскольку применяемые методы оказывали разрушительное воздействие на исследуемый объект. Та же научная группа, ранее подтвердившая существование электронного кристалла, разработала методику модификации сканирующего электронного микроскопа и впервые получила визуализацию молекулы Вигнера.

Обычно электроны перемещаются через различные вещества с высокой скоростью, не формируя при этом каких-либо устойчивых связей. В 1930-х годах физик Юджин Вигнер ( Eugene Wigner) предсказал возможность сведения электронов к состоянию покоя в условиях низкой плотности и низких температур, что приводит к образованию «электронного льда», также известного как кристалл Вигнера.

В 2021 году ученые из исследовательских групп под руководством Фэна Ванга, работавшие в Беркли (США ( Feng Wang) и Майкла Кромми (Michael Crommie) доказалинаблюдение подобных электронных кристаллов. В настоящее время те же исследователи предоставили визуальные данные о новой квантовой фазе в твердом электронном веществе — молекулярном Вигнеровском кристалле. О результатах этой научной работы, опубликованы в журнале Science.

В обычных Вигнеровских кристаллах электроны располагаются в упорядоченном виде, формируя сотовую структуру. Молекулярные Вигнеровские кристаллы, в свою очередь, представляют собой высокоорганизованные структуры, созданные из искусственных «молекул», включающих в себя две или более частиц электрона.

В течение продолжительного времени ученые стремились к получению непосредственных изображений молекулярного Вигнеровского кристалла, однако это представлялось сложной задачей, поскольку молекулярный электронный лед оказывался нестабильным при попытках его фиксации на изображениях. Наконечник сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), необходимого для получения таких изображений, разрушал электронную конфигурацию материала.

В рамках нового исследования ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли предложили решение этой задачи. Они разработали метод, позволяющий минимизировать электрическое поле, возникающее вокруг наконечника СТМ. Благодаря этой модификации исследователи смоглиНеобходимо аккуратно извлечь сложную электронную структуру, характерную для молекулярного Вигнеровского кристалла.

Для проведения экспериментов исследователи создали наноматериал, получивший название «скрученная дисульфид-вольфрамовая (tWS ₂) сверхрешетка муарового типа». В первую очередь исследователи сформировали двухслойную структуру из дисульфида вольфрама (WS ₂) сначала слои были расположены друг на друга под углом 58 градусов. После этого их поместили на слой гексагонального нитрида бора (hBN) толщиной 49 нанометров и графитовый затвор.

Используя разработанную СТМ-технику, физики установили, что легирование сверхрешетки tWS2 электронами приводит к заполнению каждой ячейки размером 10 нанометров всего двумя или тремя электронами. Это привело к формированию массива электронных молекул муарового типа по всей сверхрешетке и, как следствие, к образованию молекулярного Вигнеровского кристалла.

«Благодаря низким температурам и энергетическому потенциалу, создаваемому сверхрешеткой tWS2, электроны удерживаются в определенных областях», — пояснил Ванг.

В дальнейшем Ванг, Кромми и их команда планируют применить свою технику СТМ для более глубокого изучения этой новой квантовой фазы и поиска возможных применений, которые она может открыть.