Долгое время ученым не удавалось получить изображения молекулярного электронного льда, поскольку применяемые методы приводили к разрушению объекта исследования. Те же исследователи, которые ранее доказали существование электронного кристалла, разработали способ модификации сканирующего электронного микроскопа и впервые получили изображения молекулы Вигнера.
Электроны, как правило, перемещаются через материалы с такой высокой скоростью, что не взаимодействуют с ними. В 1930-х годах физик Юджин Вигнер ( Eugene Wigner) ученый предсказал, что при низкой плотности и температуре электроны могут находиться в состоянии покоя, формируя так называемый «электронный лед» или Вигнеровский кристалл.
В 2021 году ученые из исследовательских групп под руководством Фэна Ванга, работавшие в Беркли (США ( Feng Wang) и Майкла Кромми (Michael Crommie) доказали существование таких электронных кристаллов. Теперь те же ученые получили изображения новой квантовой фазы твердого электронного тела — молекулярного Вигнеровского кристалла. Результаты 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.
Ученые уже много лет стремятся получить непосредственные изображения молекулярного Вигнеровского кристалла. Эта задача оказалась непростой, поскольку молекулярный электронный лед разрушался при попытках его фотографирования. Наконечник сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), используемый для получения этих 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 смогли снять деликатную электронную структуру молекулярного Вигнеровского кристалла.
Для проведения экспериментов исследователи создали наноматериал, получивший название «скрученная дисульфид-вольфрамовая (tWS 2) сверхрешетка муарового типа». Сперва они создали двухслойный дисульфид 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.
«По словам Ванга, электроны локально удерживаются благодаря низким температурам и энергетическому потенциалу, генерируемому сверхрешеткой tWS2.
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.