Физики впервые зафиксировали молекулярный «электронный лед».
Электроны, как правило, перемещаются через материалы с такой скоростью, что не формируют никаких связей. В 1930-х годах физик Юджин Вигнер (Eugene Wigner) предсказал, что электроны могут быть остановлены при низкой плотности и температуре, образуя «электронный лед», известный также как Вигнеровский кристалл.
В 2021 году в Беркли (США) исследовательские группы под руководством Фэна Ванга (Feng Wang) и Майкла Кромми (Michael Crommie) подтвердили существование таких электронных кристаллов. Теперь те же ученые получили изображения новой квантовой фазы твердого электронного вещества — молекулярного Вигнеровского кристалла. Результаты их работы опубликованы в журнале Science.
Обычные Вигнеровские кристаллы формируют соты с упорядоченным расположением электронов. В молекулярных Вигнеровских кристаллах создаются высокоупорядоченные структуры из искусственных «молекул», каждая из которых состоит из двух или более электронов.
На протяжении многих лет ученые пытались получить прямые изображения молекулярного Вигнеровского кристалла. Это оказалось сложной задачей, поскольку молекулярный электронный лед разрушался при попытках его зафиксировать. Наконечник сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), используемый для получения необходимых изображений, разрушал электронную конфигурацию материала.
В новом исследовании ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли нашли решение этой проблемы. Они разработали метод, который минимизирует электрическое поле, создаваемое наконечником СТМ. С помощью этой модификации исследователи смогли запечатлеть деликатную электронную структуру молекулярного Вигнеровского кристалла.
Для экспериментов ученые создали наноматериал под названием «скрученная дисульфид-вольфрамовая (tWS2) сверхрешетка муарового типа». Сначала они изготовили двухслойный дисульфид вольфрама (WS2) со слоями, уложенными друг на друга под углом 58 градусов. Затем их разместили на гексагональном нитриде бора (hBN) толщиной 49 нанометров и графитовом затворе.
Используя свою СТМ-технику, физики обнаружили, что легирование сверхрешетки tWS2 электронами заполняет каждую ячейку шириной 10 нанометров всего двумя или тремя электронами. В результате эти заполненные ячейки сформировали массив электронных молекул муарового типа по всей сверхрешетке, что привело к образованию молекулярного Вигнеровского кристалла.
«Низкие температуры, в сочетании с энергетическим потенциалом, созданным сверхрешеткой tWS2, локально удерживают электроны», — пояснил Ванг.
В будущем Ванг, Кромми и их команда планируют использовать свою технику СТМ для более глубокого изучения этой новой квантовой фазы и поиска потенциальных применений, которые она может открыть.