1934 年、量子力学のパイオニアである Eugene Wigner は、奇妙な種類の物質、つまり電子から作られた結晶を理論化しました。アイデアは単純でした。ではないことを証明します。物理学者は、80年以上にわたり、電子を微調整してこれらのいわゆるウィグナー結晶を形成するために多くのトリックを試みましたが、成功は限定的でした.しかし、6 月には物理学者の 2 つの独立したグループが Nature に報告しました。 これまでで最も直接的なウィグナー結晶の実験的観測です。
「ウィグナー結晶化は非常に古い考えです」と、この研究には関与していないオハイオ州立大学の物理学者、ブライアン スキナーは述べています。 「とてもきれいに見えて、本当によかったです。」
電子がウィグナー結晶を形成するためには、物理学者は単に電子を冷却する必要があるように思えるかもしれません。電子は互いに反発するため、水が氷になるのと同じように、冷却するとエネルギーが減少し、格子状に凍結します。しかし、冷たい電子は量子力学の奇妙な法則に従い、波のように振る舞います。波状の電子は、整然としたグリッドに固定されるのではなく、動き回って隣接する電子に衝突する傾向があります。水晶であるべきものが水たまりのようなものに変わります。
新しい作業を担当したチームの 1 つが、ほぼ偶然にウィグナー結晶を見つけました。ハーバード大学の Hongkun Park が率いるグループの研究者は、電子が通過できない材料で分離された半導体の非常に薄いシートの「サンドイッチ」での電子の挙動を実験していました。物理学者は、この半導体サンドイッチを摂氏マイナス 230 度以下に冷却し、各層の電子数をいじりました。
チームは、各層に特定の数の電子がある場合、それらすべてが不思議なことに静止していることを観察しました。 「どういうわけか、半導体の中の電子が動けなくなった。これは本当に驚くべき発見でした」と、新しい研究の筆頭著者である You Zhou 氏は述べています。
周は彼の結果を理論家の同僚と共有し、彼らは最終的にウィグナーの古い考えを思い出しました。ウィグナーは、平らな二次元物質の電子は、三角形のタイルで完全に覆われた床と同様のパターンを想定していると計算しました。この結晶は、電子が完全に動くのを止めます.
周の結晶では、各層内の電子と層間の電子間の反発力が連携して、電子をウィグナーの三角グリッドに配置しました。これらの力は、量子力学によって予測される電子のこぼれやスロッシングを防ぐのに十分な強さでした。しかし、この現象は、各層の電子数が上下の結晶グリッドが整列するようなものである場合にのみ発生しました.1つの層の小さな三角形は、他の層の大きな三角形の内側のスペースを正確に埋めなければなりませんでした. Park は、これらの状態をもたらした電子比を「2 層ウィグナー結晶の明確な兆候」と呼んだ。
彼らが手にウィグナー結晶を持っていることに気付いた後、ハーバード大学のチームは、電子に量子波の性質を受け入れるように強制することで、それを溶かしました。ウィグナー結晶の融解は量子相転移であり、角氷が水になるのと似ていますが、加熱は必要ありません。理論家は以前にプロセスが発生するために必要な条件を予測していましたが、新しい実験は直接測定によってそれを確認した最初のものです。 「私たちが教科書や論文から実際に学んだことを実験データで見るのは本当に、本当にエキサイティングでした」と Park は言いました。
過去の実験では、ウィグナー結晶化のヒントが見つかりましたが、新しい研究は、斬新な実験手法により、最も直接的な証拠を提供します。研究者は、励起子と呼ばれる粒子のような実体を作成するために、レーザー光で半導体層を吹き飛ばしました。マテリアルはその光を反射または再放出します。光を分析することで、研究者は励起子が通常の自由に流れる電子と相互作用したのか、それともウィグナー結晶で凍結した電子と相互作用したのかを知ることができました。 「私たちはウィグナー結晶の直接的な証拠を実際に持っています」と Park は言いました。 「実際に、この三角形の構造を持つ結晶であることがわかります。」
スイス連邦工科大学チューリッヒ校の Ataç Imamoğlu が率いる 2 番目の研究チームも、この技術を使用してウィグナー結晶の形成を観察しました。
新しい研究は、多くの相互作用する電子の悪名高い問題を明らかにします。小さな空間に多くの電子を入れると、それらはすべて互いに押し合い、相互に絡み合ったすべての力を追跡することができなくなります.
イリノイ大学アーバナ シャンペーン校の物理学者 Philip Phillips は、この実験には関与していませんが、ウィグナー結晶はそのようなすべての系の原型であると説明しました。彼は、物理学者がペンと紙だけで解決する方法を知っている電子と電気力に関連する唯一の問題は、水素原子内の単一の電子の問題であると指摘しました。電子が1つでも多い原子では、相互作用する電子が何をするかを予測する問題は扱いにくくなります。多くの相互作用する電子の問題は、長い間、物理学で最も難しい問題の 1 つと考えられてきました。
今後、ハーバード大学のチームは、そのシステムを使用して、ウィグナー結晶と強相関電子に関する未解決の問題に答えることを計画しています。未解決の問題の 1 つは、ウィグナー結晶が溶けると正確に何が起こるかということです。競合する理論がたくさんあります。さらに、チームは、理論家が予測したよりも高い温度とより多くの電子について、半導体サンドイッチ内のウィグナー結晶を観察しました。なぜそうなったのかを調査することで、強相関電子の挙動に関する新しい洞察につながる可能性があります。
ハーバード大学の理論家で、両方の新しい研究に貢献した Eugene Demler は、この研究が古い理論的議論に決着をつけ、新しい疑問を引き起こすと信じています。 「本の最後で答えを調べることができれば、問題に取り組むのは常にずっと簡単です」と彼は言いました。 「そして、余分な実験をすることは、答えを探すようなものです。」
