1934 년, 양자 역학의 선구자 인 유진 와이너 (Eugene Wigner)는 전자로 만든 크리스탈 인 이상한 종류의 물질을 이론화했다. 아이디어는 간단했다. 그렇지 않다는 것을 증명합니다. 물리학 자들은 80 년 동안 전자가 소위 wigner 크리스탈을 형성하도록 전자를 깎아서 성공한 성공을 거두기 위해 많은 트릭을 시도했습니다. 그러나 6 월에 두 명의 독립 물리학 자 그룹이 자연 에보고했습니다. Wigner 결정의 가장 직접적인 실험 관찰.
오하이오 주립 대학의 물리학자인 브라이언 스키너 (Brian Skinner)는“Wigner 결정화는 그렇게 오래된 아이디어입니다. “너무 깨끗하게 보는 것은 정말 좋았습니다.”
전자가 wigner 크리스탈을 형성하기 위해서는 물리학자가 단순히 식히는 것이 필요한 것처럼 보일 수 있습니다. 전자는 서로 격퇴하기 때문에 물이 얼음으로 바뀌는 것처럼 냉각은 에너지를 줄이고 에너지를 줄이고 격자로 얼리게 할 것입니다. 그러나 차가운 전자는 양자 역학의 이상한 법칙에 순종합니다. 그들은 파도처럼 행동합니다. 깔끔하게 주문한 그리드에 제자리에 고정되는 대신, Wavelike Electrons는 주위를 비 슬로 링하고 이웃에게 충돌하는 경향이 있습니다. 크리스탈이 웅덩이와 같은 것으로 바뀌어야합니다.
새로운 작품을 담당하는 팀 중 하나는 거의 우연히 wigner 크리스탈을 발견했습니다. 하버드 대학교 (Harvard University)의 홍콩 파크 (Hongkun Park)가 이끄는 그룹의 연구원들은 전자가 이동할 수없는 물질로 분리 된 매우 얇은 반도체의“샌드위치”에서 전자 거동을 실험하고있었습니다. 물리학 자들은이 반도체 샌드위치를 섭씨 -230도 미만으로 식히고 각 층의 전자 수를 가지고 놀았습니다.
팀은 각 층에 특정 수의 전자가 있었을 때 모두 신비하게 서 있었다는 것을 관찰했습니다. “어떻게 든 반도체 내부의 전자는 움직일 수 없었습니다. 이것은 정말 놀라운 발견이었습니다.”새로운 연구의 선임 저자 인 Zhou가 말했습니다.
Zhou는 그의 결과를 이론가 동료들과 공유했으며 결국 Wigner 's에 대한 오래된 아이디어를 회상했습니다. Wigner는 평평한 2 차원 재료의 전자가 삼각형 타일로 완벽하게 덮힌 바닥과 유사한 패턴을 가정 할 것이라고 계산했다. 이 결정은 전자가 완전히 움직이는 것을 막을 것입니다.
Zhou의 결정에서, 각 층의 전자와 층 사이의 반발력은 함께 협력하여 전자를 Wigner의 삼각형 그리드로 배열했습니다. 이 힘은 양자 역학에 의해 예측 된 전자 유출 및 슬로 싱을 방지하기에 충분히 강했습니다. 그러나이 동작은 각 층의 전자 수가 상단 및 하단 결정 그리드가 정렬 될 때만 발생했습니다. 한 층의 작은 삼각형은 다른 층의 더 큰 공간을 정확하게 채워야했습니다. Park는 전자 비율을 불렀으며 이러한 조건으로 이어졌다.
그들이 손에 wigner crystal을 가지고 있다는 것을 깨달은 후, Harvard 팀은 전자가 양자파 특성을 받아들이도록 강요함으로써 녹았습니다. wigner crystal melting은 양자 위상 전이입니다. 이는 얼음 큐브가 물이되는 것과 유사하지만 가열이 포함되지 않은 것과 유사합니다. 이론가들은 이전에 프로세스가 발생하는 데 필요한 조건을 예측했지만 새로운 실험은 직접 측정을 통해이를 가장 먼저 확인했습니다. Park는“실험 데이터에서 교과서와 논문에서 실제로 배운 것을 보는 것은 정말 흥미로 웠습니다.
과거의 실험은 Wigner 결정화의 힌트를 발견했지만 새로운 연구는 새로운 실험 기술로 인해 가장 직접적인 증거를 제공합니다. 연구원들은 반도체 층을 레이저 라이트로 폭파하여 엑시톤이라는 입자와 같은 실체를 만듭니다. 그런 다음 재료는 그 빛을 반사하거나 다시 깎을 것입니다. 빛을 분석함으로써, 연구자들은 엑시톤이 일반 자유 흐름 전자와 상호 작용했는지 또는 wigner 결정에서 동결 된 전자와 상호 작용했는지 여부를 알 수있었습니다. Park는“우리는 실제로 Wigner Crystal의 직접적인 증거를 가지고 있습니다. "실제로이 삼각형 구조를 가진 결정임을 알 수 있습니다."
스위스 연방 기술 Institute of Technology Zurich의 Ataç Imamoğlu가 이끄는 두 번째 연구팀은이 기술을 사용하여 Wigner Crystal의 형성을 관찰했습니다.
.새로운 작업은 많은 상호 작용 전자의 악명 높은 문제를 밝힙니다. 많은 전자를 작은 공간에 넣으면 모두 서로 밀고, 상호 얽힌 모든 힘을 추적하는 것은 불가능 해집니다.
실험에 관여하지 않은 일리노이 대학교의 물리학 자 필립 필립스 (Philip Phillips)는 Wigner Crystals를 그러한 모든 시스템의 원형으로 묘사했습니다. 그는 물리학자가 펜과 종이로 해결하는 방법을 알고있는 전자와 전기 힘과 관련된 유일한 문제는 수소 원자의 단일 전자의 문제라고 지적했다. 하나 이상의 전자가있는 원자에서는 상호 작용 전자가 무엇을할지 예측하는 문제가 다루기 어려워집니다. 많은 상호 작용 전자의 문제는 오랫동안 물리학에서 가장 어려운 것 중 하나로 여겨져 왔습니다.
앞으로 하버드 팀은 시스템을 사용하여 Wigner 결정과 강한 상관 관계가있는 전자에 대한 뛰어난 질문에 대답 할 계획입니다. 한 가지 열린 질문은 wigner 크리스탈이 녹을 때 정확히 무슨 일이 일어나는지입니다. 경쟁 이론이 많이 있습니다. 또한, 팀은 이론가들이 예측 한 것보다 더 높은 온도와 더 많은 수의 전자에서 반도체 샌드위치에서 wigner 결정을 관찰했습니다. 이것이 왜 그런지 조사하면 강력한 상관 관계가있는 전자 거동에 대한 새로운 통찰력으로 이어질 수 있습니다.
두 가지 새로운 연구에 기여한 하버드의 이론가 인 유진 데클러 (Eugene Demler)는이 작업이 오래된 이론적 토론을 해결하고 새로운 질문에 영감을 줄 것이라고 믿는다. "책 끝에서 답을 찾을 수있을 때 항상 문제를 해결하는 것이 훨씬 쉽습니다." "그리고 추가 실험을하는 것은 답을 찾는 것과 같습니다."
