Физики превратили одномерный электронный кристалл в зигзагообразный

Sheng-Chin Ho et al. / Phys. Rev. Lett.
Физики из Тайваня и Великобритании превратили одномерный кристалл из электронов в полупроводнике в зигзагообразный, уменьшив силу взаимодействия между электронами, а затем измерили спиновые структуры обоих кристаллов. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
В обычных условиях электроны внутри проводника ведут себя, как идеальный газ, то есть практически не взаимодействуют друг с другом (речь идет об электронах-квазичастицах). Тем не менее, в 1934 году американский физик Юджин Вигнер предсказал, что в определенных условиях электронный газ может «замерзнуть» и превратиться в вигнеровский кристалл — систему, аналогичную твердому телу. Другими словами, электроны в вигнеровском кристалле строго упорядочены, а потенциальная энергия их связи превышает кинетическую энергию движения. Согласно теоретическим расчетам, вигнеровские кристаллы могут существовать в любом числе измерений пространства; например, в трехмерии электронный газ кристаллизуется при шаге решетки около r ≈ 106a, а в двумерии — при шаге r ≈ 31a, где a — боровский радиус.
Впервые образование двумерных вигнеровских кристаллов наблюдали в 1979 году в невырожденном газе электронов, помещенных над поверхностью жидкого гелия. Сравнительно недавно ученые также научились получать вигнеровские кристаллы с помощью полупроводниковых квантовых точек, что позволило подробно исследовать это необычное состояние вещества. Кроме того, вигнеровская решетка должна формироваться в одномерных системах, в которых электроны отстоят друг от друга на одинаковые расстояния. Некоторые эксперименты позволяют предположить, что одномерные вигнеровские кристаллы образуются в одномерных нанопроводах, однако их результаты можно интерпретировать и другим способом. Таким образом, достоверных доказательств существования одномерных вигнеровских кристаллов ученые пока не получили.
Кроме того, теория предсказывает, что при постепенном выключении взаимодействия между электронами одномерный вигнеровский кристалл переходит в зигзагообразную структуру, в которой электроны выстраиваются в две связанные параллельные цепочки. При дальнейшем ослаблении связи зигзагообразный кристалл также разрушается и превращается в двумерную жидкость. Также было предсказано, что спины электронов зигзагообразного кристалла сложным образом взаимодействуют между собой, что выражается в большом разнообразии конечных спиновых состояний. Это делает подобные кристаллы перспективными для спинтроники. К сожалению, образование зигзагообразных кристаллов в экспериментах пока еще не наблюдалось.
Кроме того, физики наложили на прибор внешнее магнитное поле, которое вырывало электроны из нанопровода, ускоряло их и переносило на коллектор. Чем ближе вырванные электроны попадают к центру коллектора, тем больший заряд он собирает и тем сильнее его сигнал. В то же время, ширина траектории, по которой электроны движутся в постоянном магнитном поле, при прочих равных обратно пропорциональна напряженности поля — следовательно, при изменении напряженности интенсивность сигнала будет изменяться. Если в нанопроводе образуется одномерный вигнеровский кристалл, в котором электроны выстроены в одну цепочку, зависимость интенсивности сигнала от напряженности поля будет иметь только один максимум. Если же вигнеровский кристалл перейдет в зигазагообразное состояние с двумя параллельными цепочками электронов, в зависимости появится еще один максимум.
В этот раз измерения снова отлично согласовались с теорией. С одной стороны, при напряжении на входах около двух вольт отношение интенсивностей сигналов было близко к единице, что означало, что поляризация электронов была близка к нулю. Это совпадало с предсказаниями для одномерного вигнеровского кристалла. С другой стороны, при напряжении порядка одного вольта соотношение интенсивностей достигало двух, что указывало на степень поляризации порядка 60 процентов. Это также совпадает с теоретическими предсказаниями, но уже для зигзагообразных вингнеровских кристаллов.
В 2016 году группа исследователей из MIT и Принстона впервые расплавила двумерный вигнеровский кристалл, созданный внутри полупроводника. Для этого ученые постепенно увеличивали плотность кристалла и «просвечивали» его электронами — когда плотность достигла критического значения, пик в спектре электронов, проходящих через кристалл, исчез, что указывало на плавление (разрушение кристаллической структуры).
Дмитрий Трунин