Kryształ Wignera to szczególny stan skupienia materii, w którym elektrony przestają zachowywać się jak swobodnie poruszający się gaz i układają się w regularną strukturę. Zjawisko to przewidział w 1934 roku Eugene Wigner. Powstanie takiego kryształu wymaga bardzo specyficznych warunków, ponieważ naturalna tendencja elektronów do poruszania się i ich kwantowe właściwości zwykle uniemożliwiają utworzenie trwałego uporządkowania. Pierwszoplanową rolę odgrywa odpowiednio niska gęstość elektronów, a także bardzo niska temperatura.
W najnowszych badaniach naukowcy wykorzystali niezwykle cienką warstwę dwuselenku wolframu, znanego jako WSe2. Jest to materiał złożony z pojedynczej warstwy atomów, który dzięki swoim właściwościom może umożliwiać powstawanie kryształów Wignera bez konieczności stosowania silnego zewnętrznego pola magnetycznego.
Czytaj też: Fizycy odkryli nową odmianę efektu Halla. Wiedzą już, co z nią zrobią
Samo wykazanie, iż elektrony tworzą uporządkowaną strukturę, nie jest jednak końcem problemu. Znacznie trudniejsze jest ustalenie, jak zachowuje się taki kryształ wraz z upływem czasu. Elektrony nie pozostają bowiem całkowicie nieruchome. Nawet w ekstremalnie niskich temperaturach podlegają drganiom i ruchom wynikającym z mechaniki kwantowej. Do tej pory bezpośrednie badanie tej wewnętrznej dynamiki było bardzo trudne.
Naukowcy znaleźli sposób, aby wykorzystać do tego światło. Kiedy jego wiązka pada na materiał, może wytworzyć ekscyton, czyli związany układ złożony z elektronu i dziury. Taka wzbudzona para oddziałuje z otaczającym ją uporządkowanym układem elektronów i lokalnie zaburza jego strukturę. Powstaje wówczas szczególny obiekt określany mianem polaronu Wignera.
To właśnie ten efekt okazał się kluczowy. Zaburzenie wywołane przez ekscyton nie jest przypadkowe. Jego właściwości zależą od sposobu, w jaki elektrony w kryształowej strukturze poruszają się względem siebie. Analizując światło odbite od próbki, badacze mogli uzyskać informacje o ruchach, które wcześniej pozostawały praktycznie niewidoczne.
Eksperymenty odbywały się w temperaturach sięgających zaledwie kilku stopni powyżej zera absolutnego. W takich warunkach w warstwie WSe2 elektrony mogą tworzyć niezwykle delikatny stan kwantowy. Pomiary optyczne ujawniły charakterystyczne sygnały związane z oddziaływaniem ekscytonów z kryształem Wignera.
Czytaj też: Fizycy odkryli zaskakujące właściwości światła. Pomógł im kapelusz Einsteina
Za interpretację wyników odpowiadał również zespół teoretyków, który opracował opis pokazujący, w jaki sposób powstają polaronowe wzbudzenia związane z ruchem elektronów. Dzięki połączeniu eksperymentu i teorii udało się powiązać obserwowane sygnały optyczne z kolektywnymi drganiami kryształu. W praktyce taki sukces oznacza zdecydowanie więcej niż tylko możliwość obserwowania kryształu Wignera.
Elektrony w takich układach są silnie skorelowane, co oznacza, że zachowanie jednego z nich jest ściśle związane z zachowaniem pozostałych. Badanie tych zależności może pomóc naukowcom lepiej zrozumieć zjawiska zachodzące w wielu innych układach kwantowych. Nowa metoda ma również istotną zaletę: nie wymaga bezpośredniego oglądania pojedynczych elektronów. Ich ruch można odczytać z odpowiedzi optycznej materiału. W praktyce światło staje się więc narzędziem pozwalającym zajrzeć do wnętrza niezwykle trudnego do zbadania stanu materii.
Źródło: Nature Physics
