Если бы электроны, мельчайшие частицы, стремящиеся к атомным ядрам, могли бы застыть и сформировать твердую структуру, это было бы поразительно. Именно это удалось наблюдать ученым в ходе новаторского эксперимента. До недавнего времени это явление было обосновано только теоретически и не имело прямого доказательства, и теперь оно знаменует собой важный шаг вперед в нашем понимании квантовой физики.
Новая версия кристалла Вигнера
Электроны — это субатомные частицы, обычно свободно перемещающиеся внутри материалов. Но при экстремальных условиях, таких как очень низкие температуры, их поведение может существенно измениться. В 1934 году физик Юджин Вигнер высказал предположение, что замедленные электроны способны формировать кристаллическую структуру, напоминающую кристаллы соли или льда, но обладающую чрезвычайно малым размером.
В стандартных условиях электроны в материалах перемещаются подобно хаотичной жидкости. Но при резком понижении температуры электростатическое отталкивание между ними, обусловленное отрицательным зарядом каждого электрона, становится доминирующим фактором. Электроны начинают отталкиваться друг от друга, вместо свободного перемещения, и стабилизируются в определенных, фиксированных позициях, формируя кристаллическую структуру. Так возникает кристалл Вигнера.
На протяжении десятилетий это удивительное явление оставалось лишь теоретическим. Недавно группе исследователей впервые удалось зафиксировать его. Причем они наблюдали не стандартный кристалл Вигнера, а его более сложную модификацию – молекулярный кристалл Вигнера. В этом случае электроны группируются в электронные молекулы и упорядоченно располагаются в кристаллической структуре. Такая структура отличается большей сложностью, поскольку она формируется из молекулярных образований, состоящих из нескольких электронов, а не отдельных частиц.
Наблюдение этого молекулярного кристалла Вигнера стало важной вехой в нашем понимании материалов и поведения электронов в экстремальных условиях. Экспериментально подтверждено, что группы электронов способны вести себя как самостоятельные единицы, формируя стабильную кристаллическую структуру.
Как исследователям удалось это сделать?
Наблюдение за электронными кристаллами затруднено особенностями самих электронов: они обладают микроскопическими размерами, отличаются высокой скоростью и демонстрируют значительную чувствительность к внешним условиям. К тому же, электронные кристаллы формируются при строго определенных значениях температуры и плотности, что делает их весьма уязвимыми для изучения. Применение стандартных методов исследования может привести к повреждению этих деликатных структур.
Чтобы преодолеть эту , используя сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), прибор, позволяющий выявлять атомные структуры в нанометровом масштабе, исследователи столкнулись с трудностями. Дело в том, что электрическое поле, генерируемое наконечником микроскопа, могло влиять на поведение электронов. Для уменьшения влияния этих помех была разработана новая методика, основанная на корректировке расстояния и напряжения между наконечником СТМ и исследуемым образцом. Это позволило снизить воздействие электрического поля, создаваемого наконечником, избежать повреждения молекулярных кристаллических структур электронов и при этом сохранить возможность получения детализированных изображений.
Почему это открытие важно?
Данное открытие способно оказать существенное влияние на физику материалов и квантовые технологии. Молекулярные кристаллы Вигнера могут стать основой для создания новых материалов с исключительными характеристиками, особенно востребованных в электронике будущего. Так, ученые уже высказывают предположения об использовании этих кристаллов для создания сверхпрочных электронных компонентов или повышения эффективности хранения энергии в электронных устройствах.
Еще одно перспективное направление — создание квантовых компьютеров. Эти устройства, основанные на принципах квантовой физики для обработки данных, могли бы выиграть от использования материалов, позволяющих управлять электронами новыми и более эффективными методами. Это откроет путь к созданию более производительных компьютеров, превосходящих современные технологии по своим вычислительным возможностям.