Közvetlen bizonyítékot találtak az elektronok alkotta Wigner-kristály létezésére

A kvantum- és nanotechnológia területén jelent lényeges előrelépést az a felfedezés, amelyet az MTA-BME Lendület Egzotikus Kvantumfázisok Kutatócsoport és az MTA Wigner FK Lendület Erősen Korrelált Rendszerek Kutatócsoport kutatói az izraeli Weizmann Intézet csapatával közösen publikáltak a Science folyóiratban, Wigner Jenő közel 80 éve tett jóslatát igazolva. Eszerint

az elektronok képesek szabályos kvantumkristályt alkotni,

ha a közöttük lévő Coulomb-kölcsönhatás elegendően erős. A kutatóknak ezt az úgynevezett Wigner-kristályt sikerült megfigyelniük egy szén nanocsőben kísérletek és részletes numerikus szimulációk ötvözésével.

Az eredeti cikk rövid összefoglalója itt érhető el a Science oldalán.Híg elektrongázokban megnő a Coulomb-kölcsönhatás szerepe, az elektronoknak hatalmas energiába kerül ugyanis, ha két részecske egy helyen tartózkodik. Wigner Jenő erre felfigyelve azt jósolta, hogy ezt elkerülendő az elektronok abszolút 0 fokos hőmérsékleten Wigner, E.: On the Interaction of Electrons in Metals. Physical Review, 46, 1002 (1934).kristályba rendeződnek. Habár az elmúlt majd egy évszázadban óriási verseny folyt annak érdekében, hogy nagy tisztaságú anyagokban vagy azok felületén megvalósítható legyen az anyag e törékeny kvantummechanikai állapota, mind ez idáig csak a magas hőmérsékleten kialakuló ún. klasszikus Wigner-kristály létezését tudták meggyőzően kísérletileg bizonyítani. A mostani felfedezés az első, ahol közvetlenül sikerült megfigyelni az alacsony hőmérsékleten kialakuló kvantumkristály töltésmintázatát.

A felfedezés egy új kísérleti módszeren alapul: a kialakuló kristály rendkívül „törékeny”, ezért az izraeli kutatók egyetlen elektron töltését használták „puha” érzékelőként, és azzal tapogatták le a nanocsőben kialakuló kristály térbeli szerkezetét. „Az új kísérleti elrendezésben mind a mérő-, mind pedig a mérni kívánt rendszert egy-egy nanocső alkotja” – mondta az mta.hu-nak Zaránd Gergely, az MTA-BME Lendület Egzotikus Kvantumfázisok Kutatócsoport vezetője, a BME Fizikai Intézetének igazgatója. A vizsgált nanocsövön az elektronok számát és az őket fogva tartó potenciált elektródák segítségével kontrollálják, a mérőfejként használt nanocsővel végigpásztázva a rendszert pedig az elektronok töltéseloszlása és kvantummechanikai hullámfüggvénye közvetlenül meghatározható. A rendszerbe egy-, két-, három- stb. számú elektront téve a töltéseloszlásban egy-, két-, három- stb. számú, egymástól néhány nanométeres távolságban elhelyezkedő csúcs figyelhető meg.

A kísérleti mérésben (bal panel) és a DMRG numerikus szimulációban (jobb panel) megjelenő öt csúcs az első öt elektron kvantumkristálybeli helyét mutatja. A numerikus szimulációban a kölcsönhatás erősségének elméleti vizsgálatára is lehetőség adódik, amit a függőleges tengely mentén az rs paraméter jellemez.Forrás: Shapir et al., Science 364, 870 (2019)

Annak eldöntése, hogy a kialakult kvantummechanikai állapot milyen kölcsönhatások eredményeként jött létre, elméleti számítások és numerikus szimulációk elvégzését igényelte. Ezeket a kísérleti eredmények értelmezéséhez szükséges kvantumelméleti számításokat a BME és az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatói végezték, a legmodernebb kvantumkémiai módszereket alkalmazva a szén nanocső leírására. „Az elvégzett ún. DMRG számítások már önmagukban is nagy áttörést jelentenek a területen. Számos olyan új algoritmikus megoldást fejlesztettünk ki, mely nélkül a számításokat nem lehetett volna elvégezni” – mondta Legeza Örs, az MTA Wigner FK Lendület Erősen Korrelált Rendszerek Kutatócsoport vezetője, aki jelenleg Humboldt-díjasként több kutatási projektet is irányít Németországban.

Az elméleti számítások révén meghatározott elektron-kristályszerkezet struktúrája nem várt pontossággal mutatott egyezést a mérési eredményekkel, ezzel igazolva, hogy az új kvantumos fázis valóban a Wigner Jenő által megjósolt kvantumkristály.