Физики получили первое четкое изображение электрона и очень удивились

Для начала мысленно перенесемся на 90 лет назад, а именно в 1934 год. Американский ученый венгерского происхождения Юджин Вигнер предсказал, как будут вести себя электроны.


При комнатной температуре они текут вместе в виде электрического тока. Это связано с тем, что их кинетическая энергия в этих условиях побеждает силу, которая заставляет одинаково заряженные частицы отталкиваться друг от друга.

Когда температура окружающей среды становится очень низкой, то электрическая сила отталкивания одерживает верх над кинетической энергией. Таким образом, электроны просто вынуждены выстроиться в однородную сетку или кристалл, который впоследствии назвали в честь Вигнера.

С тех пор минул почти век, но исследователи лишь недавно стали догадываться, как можно сделать кристалл Вигнера в лабораторных условиях.


— профессор физики Али Яздани, Университет Принстона, США.

Рецепт создания таинственного кристалла оказался достаточно сложным. Во всяком случае, в домашних условиях повторить его точно не получится.

Исследователи взяли два сверхтонких листа графена (толщина — один атом), в которых практически отсутствовали дефекты. Дальше пластины были помещены в холодильник, где температура была всего лишь на несколько сотых градуса выше абсолютного нуля. Такое экстремальное охлаждение было нужно для того, чтобы максимально понизить кинетическую энергию электронов. Далее на листы графена стали воздействовать сильным магнитным полем.

В статье Али Яздани объясняет, зачем им понадобились пластинки графена, где почти не было дефектов. Если бы их было много, то электроны могли бы застревать в них. Тогда бы кристалл сформировался благодаря этим дефектам. А физики Принстона хотели, что электроны приняли кристаллообразное состояние, взаимодействуя друг с другом, как это когда-то предрекал Вигнер.

В прошлых экспериментах ученые даже не пытались сфотографировать кристалл. Они стремились доказать существование кристалла Вигнера другим способом, старались спровоцировать электроны к производству тока. Едва частицы переставали течь, исследователи делали вывод, что электроны плотно залипли в ячейках.

Однако коллектив Али Яздани сумел совершить, казалось бы, невозможное. Исследователи из Принстона нашли способ получить изображение неуловимого кристалла с помощью специализированного электронного микроскопа.

Данный прибор использует квантовый эффект, научное название которого — туннелирование. Металлический наконечник, заостренный по максимуму, осуществлял сканирование поверхности графена. Когда острие проходило над каким-нибудь электроном, частица туннелировала сквозь дозор между поверхностью графенового листа и жалом сканера, формируя небольшой по силе электрический ток.

Эти токи подсказывали физикам, где и как плотно «сидят» электроны внутри графена. Данная информация дала ученым Принстонского университета возможность создать максимально точный на нынешний момент снимок кристалла Вигнера.

Следует сказать, что Али Яздани и его команда были далеко не первыми, кто использовал графеновые листы атомарной толщины в похожем эксперименте. Однако в прошлый раз ячейки электронов находились внутри материала, который, в свою очередь, был и сам стиснут между слоями других материалов.

Такой многослойный «бутерброд» сделал фотографию весьма расплывчатой. Кроме того, исследователям, проводившим прошлый эксперимент, было сложно определить, какие конкретно факторы способствовали тому, что электрон превратился в кристалл. Ведь вполне вероятно, что на образование кристаллической структуры могли повлиять сетчатые формы соседних материалов.

Фотографии, которые сделал Яздани со своей командой, полностью подтвердили предсказание Вигнера. Как и описывал великий ученый, электроны находились в вершинах повторяющихся треугольников.

Также исследователям удалось зафиксировать, какие метаморфозы происходили с кристаллической структурой при перемене различных факторов. Напряженность магнитного поля, температура и число электронов в кристалле менялись, когда на материал воздействовали электрическим напряжением.

В итоге Али Яздани с помощниками получили совершенно невообразимые результаты. Например, они сумели «расплавить» кристалл Вигнера… в электронную жидкость, которая вообще не сжималась. Также им удалось получить крайне экзотическую жидкость, в которой электроны «сцеплялились» в длинные ленты.

В ближайших планах принстонских физиков сделать снимки этих жидких состояний. В них ученые зафиксировали странные частицы, которые схожи с электронами, однако имеют лишь частичный разряд.


— профессор Яздани.