Mysteriöser Wigner-Kristall nach 90 Jahren erstmals sichtbar gemacht
Ein Kristall, der nur aus Elektronen besteht - 90 Jahre lang war das nur eine Theorie. Jetzt konnten Forscher*innen der Princton University erstmals „eine der faszinierenden Quantenphasen von Materie“ dokumentieren.
Wigner-Kristalle sind nach ihrem Entdecker Eugene Wigner benannt. Er sagte bereits 1934 voraus, dass sich Elektronen bei niedriger Temperatur und hoher Dichte in einem regelmäßigen Gitter anordnen. Von Kristallen spricht man, wenn die Bausteine eines Materials in einer regelmäßigen Gitterstruktur angeordnet sind.
Sich abstoßende Elektronen bilden regelmäßiges Gitter
Normalerweise bildet sich ein Kristall, weil sich dessen Bestandteile - Atome, Moleküle und Ionen - anziehen. Wigner-Kristalle entstehen aber, weil die Elektronen sich abstoßen. Jahrzehnte lang versuchten Forscher*innen, sie in Experimenten zu erzeugen. Das gelang zwar, allerdings wurden sie nie beobachtet. Man vermutete bzw. schlussfolgerte nur, dass sie entstanden sein müssen.
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Ein Experiment an der Berkeley Universität legte den Grundstein für den Aufbau: Mit einem Rastertunnelmikroskop wird eine Schicht Graphene genutzt, um das Elektronengitter (Rote Punkte auf Halbleitern) zu fotografieren
© UC Berkeley graphic courtesy of Feng Wang’s lab
Jetzt sieht man den Wigner-Kristall das erste Mal. "Die Visualisierung dieses Kristalls ermöglicht es uns nicht nur, seine Entstehung zu beobachten und viele seiner Eigenschaften zu bestätigen, sondern wir können ihn auch auf eine Art und Weise studieren, die in der Vergangenheit nicht möglich war."", sagte Ali Yazdani, Hauptautor der Studie, in einem Statement.
Eiskalte Elektronen
Dafür nutzte das Team ein Rastertunnelmikroskop. Es funktioniert nicht mit Licht, sondern macht mit „Quantentunnelung“ winzige Teilchen auf subatomarer Ebene sichtbar. Sie verwendeten 2 dünne Schichten Graphen, einen modifizierten Kohlenstoff. Diese wurden auf Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt (-273 °C) gekühlt.
An die Probe wurde dann ein Magnetfeld angelegt. Schließlich konnten sie die Dichte der Elektronen zwischen den Graphen-Schichten beeinflussen. Je weiter die Elektronen voneinander entfernt sind, desto ungeordneter schwirren sie herum. Erhöht man die Dichte, werden die Elektronen gezwungen, näher zusammenzurücken. Da sie sich abstoßen, beginnen sie sich in einem regelmäßigen Gitter anzuordnen und ein Kristall entsteht. Erhöht man die Dichte aber zu weit, verschmelzen sie zu Elektronenflüssigkeit.
Weiterentwicklung einer Studie von 2021
Die Basis für diese Methode legte eine Studie der Berkeley Universität von 2021. Auch hier wurden bereits Elektronenkristalle auf einer Graphene-Schicht fotografiert. Allerdings handelte es sich hierbei nicht um Wigner-Kristalle, die sich natürlich geformt haben, sondern die sich entlang eines vorgegebenen Gitters verteilten, wie die Forscher*innen in ihrer Studie anmerken.
2021 gelang schon einmal das Bild eines Elektronenkristalls - allerdings entstand der nicht natürlich
© Hongyuan Li and Shaowei Li, courtesy of Nature
Den echten Wigner-Kristall haben die Forscher*innen im richtigen Moment fotografiert. Dabei konnten sie auch erstmals seine dreieckige Form erkennen. Er kann bei passender Temperatur und Dichte stabil gehalten werden, was bisher immer in Frage gestellt wurde.
"Unscharfe" Elektronen
Eine interessante Entdeckung ist, dass die Elektronen „unscharf“ sind. Das nennen die Wissenschaftler*innen „Nullpunkt-Bewegung“. Statt einen genau bestimmten punktuellen Ort haben die Elektronen innerhalb des Gitters einen Bereich, in dem sie sich befinden.
Diese Bewegung mache den Wigner-Kristall zu einem neuartigen Quantenkristall. Die Forschung könnte dabei helfen, neue Quantenphasen von Materie zu finden. In Zukunft soll untersucht werden, wie sich das exotische Material unter verschiedenen Bedingungen verändert. Die Studie wurde im Fachmagazin Nature veröffentlicht.