Фізики вперше зафіксували молекулярний «електронний лід».
Електрони зазвичай рухаються через матеріали так швидко, що не утворюють зв'язків. У 1930-х роках фізик Юджин Вігнер (Eugene Wigner) передбачив, що електрони можуть бути приведені в нерухоме стан при низькій щільності та температурах, формуючи «електронний лід», який також називають Вігнерівським кристалом.
У 2021 році в Берклі (США) дослідницькі групи під керівництвом Фена Ванга (Feng Wang) і Майкла Кроммі (Michael Crommie) доказали існування таких електронних кристалів. Тепер ті ж вчені отримали зображення нової квантової фази твердого електронного тіла — молекулярного Вігнерівського кристала. Результати наукової роботи опубліковані в журналі Science.
Звичайні Вігнерівські кристали формують соти з впорядкованим розташуванням електронів. У молекулярних Вігнерівських кристалах створюються високо впорядковані структури з штучних «молекул», кожна з яких складається з двох або більше електронів.
Протягом багатьох років вчені намагалися отримати прямі зображення молекулярного Вігнерівського кристала. Це виявилося складним завданням, оскільки молекулярний електронний лід руйнувався при спробах його зафіксувати. Наконечник скануючого тунельного мікроскопа (СТМ), за допомогою якого можна отримати необхідні зображення, руйнував електронну конфігурацію матеріалу.
У новому дослідженні вчені з Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі вирішили цю проблему. Вони розробили метод, що мінімізує електричне поле, створюване наконечником СТМ. Завдяки цій модифікації дослідники змогли зняти делікатну електронну структуру молекулярного Вігнерівського кристала.
Для експериментів вчені розробили наноматеріал під назвою «скручена дисульфід-вольфрамова (tWS2) надрешітка муаровго типу». Спочатку вони створили двошаровий дисульфід вольфрама (WS2) зі шарами, укладеними один на одного під кутом обертання 58 градусів. Потім їх помістили на гексагональний нитрид бору (hBN) завтовшки 49 нанометрів і графітовий затвор.
Застосувавши свою техніку СТМ, фізики виявили, що легування надрешітки tWS2 електронами заповнює кожну комірку завширшки 10 нанометрів всього лише двома або трьома електронами. В результаті ці заповнені комірки сформували масив електронних молекул муаровго типу по всій надрешітці, що призвело до утворення молекулярного Вігнерівського кристала.
«Низькі температури разом з енергетичним потенціалом, створеним надрешіткою tWS2, локально утримують електрони», — пояснив Ванг.
В подальшому Ванг, Кроммі та їх команда планують застосувати свою техніку СТМ для більш глибокого вивчення цієї нової квантової фази та пошуку можливих застосувань, які вона може відкрити.