نخستین تولید بلور جامد از الکترون‌ها

به گزارش ایسنا و به نقل از نیو اطلس، محققان موسسه فناوری فدرال زوریخ(ETH) بلوری ساخته‌اند که کاملاً از الکترون ساخته شده است. این ساختارها برای چندین دهه تئوری شده بودند، اما این اولین باری است که آنها به شکل یک آزمایش در یک آزمایشگاه تأیید می‌شوند.

در حالت عادی، الکترون‌ها کم و بیش مانند مایع رفتار می‌کنند و آزادانه از درون ماده عبور می‌کنند. اما در سال ۱۹۳۴، "یوجین ویگنر" فیزیکدان نظری پیش‌بینی کرد که گروهی از الکترون‌ها در شرایط خاص می‌توانند به شکل جامد متبلور شوند و فاز یا حالتی را تشکیل دهند که اکنون به عنوان "کریستال ویگنر" شناخته می‌شود.

برای انجام این کار دقیقاً باید تعادل مناسبی بین دو نیروی موثر بر الکترون، یعنی دافعه الکترواستاتیک و انرژی حرکتی آنها برقرار شود. نیروی دوم قدرتمندتر است و باعث می‌شود الکترون‌ها به شکل تصادفی به اطراف بچرخند، اما "ویگنر" می‌گوید اگر میزان آن به اندازه کافی کاهش یابد، نیروی دافعه می‌تواند قدرت را بدست بگیرد و الکترون‌ها را در یک شبکه یکنواخت قفل کند.

اما این مسئله پیچیده‌تر از آن است که به نظر می‌رسد. چگالی الکترون‌ها باید تا یک نقطه خاص کاهش یابد و باید در یک دام محصور شوند و تقریباً تا دمای صفر مطلق خنک شوند تا تأثیر خارجی بر حرکت آنها کاهش یابد.

اکنون دانشمندان سوئیسی تمام موارد مورد نیاز برای ایجاد یک "بلور ویگنر"را برآورده کرده‌اند. آنها برای محدود کردن الکترون‌ها از یک ورق "مولیبدن دیزلنید"(molybdenum diselenide) به ضخامت یک اتم استفاده کردند و به طور موثر حرکات آنها را به دو بعد محدود کردند. سپس برای کنترل تعداد الکترون‌های این نیمه‌هادی، این ماده را بین دو الکترود گرافن قرار داده و ولتاژ دقیقی را اعمال کردند. سرانجام کل این سیستم تا نزدیک به صفر مطلق خنک شد.

در نهایت یک "بلور ویگنر" ظهور کرد. اما مشاهده آن یک چالش دیگر بود. مسئله این است که فاصله بین الکترون‌ها بسیار کم و حدود ۲۰ نانومتر است، به طوری که حتی میکروسکوپ‌ها هم نمی‌توانند آن را ببینند. مطالعات قبلی برای ایجاد بلورهای ویگنر مجبور بودند برای تشخیص آنها به روش‌های غیرمستقیم مانند تغییرات جریان متکی باشند.

این تیم تحقیقاتی برای این مطالعه جدید از روش جدیدی استفاده کرد. آنها با فرکانس خاصی نور را به مواد می‌تابانند تا آنچه را که در نیمه هادی یا نیمه رسانا "اکسیتون" نامیده می‌شود، تحریک کنند تا نور را منعکس کند.

"آتاک امام اوغلو" نویسنده اصلی این تحقیق می‌گوید: یک گروه از فیزیکدانان نظری به رهبری "یوجین دملر" از دانشگاه "هاروارد" که امسال به ETH نقل مکان می‌کند، از نظر تئوری محاسبه کرده‌اند که چگونه این اثر باید در فرکانس‌های تحریکی مشاهده شده اکسیتون‌ها نشان داده شود و این دقیقاً همان چیزی است که ما در آزمایشگاه مشاهده کردیم.

این تحقیق در مجله Nature منتشر شده است.