Учёные впервые увидели движение электронов в хрупком квантовом состоянии с помощью света
Исследователи из Базельского университета в Швейцарии и Технического университета Мюнхена разработали новый способ изучения движения электронов в кристалле Вигнера — одном из наиболее необычных и труднодоступных состояний материи. С помощью света учёным удалось получить информацию о свойствах этого кристалла в его хрупком квантовом состоянии.
Кристалл Вигнера представляет собой особую фазу вещества, в которой электроны при достаточно низкой плотности и низкой температуре выстраиваются в упорядоченную структуру, напоминающую кристаллическую решётку. Такое состояние возникает, когда потенциальная энергия взаимодействия между электронами становится значительно важнее их кинетической энергии.
Возможность образования подобной структуры впервые теоретически предсказал физик Юджин Вигнер в 1934 году. В обычном веществе электроны взаимодействуют с атомами и другими частицами, однако кристалл Вигнера особенно интересен тем, что его структура возникает непосредственно из взаимодействия самих электронов, а не из внутреннего строения материала-хозяина.
Форма электронной решётки зависит от количества измерений. В трёхмерном пространстве электроны могут формировать объёмную кристаллическую структуру, в двумерной системе — треугольную решётку, а в одномерной — выстраиваться практически равномерно вдоль одной линии. Такое расположение позволяет электронам минимизировать энергию взаимодействия между собой.
Кристаллы Вигнера уже неоднократно наблюдали экспериментально, однако внутреннее поведение этой необычной системы оставалось изучено значительно хуже. Учёным было трудно непосредственно исследовать движение электронов, их взаимодействия и реакцию коллективного состояния на внешние воздействия.
Команда исследователей под руководством доцента Базельского университета Томаша Смоленского решила использовать для этого свет.
Учёные охладили одноатомный слой диселенида вольфрама до температуры, близкой к абсолютному нулю, а затем воздействовали на материал светом. Полученные оптические сигналы позволили исследователям получить информацию о происходящих внутри кристалла процессах.
«Наши измерения показывают, что свет способен не только обнаружить присутствие этого экзотического состояния, но и показать, как оно ведёт себя изнутри», — объяснил Луджун Ван, проводивший эксперименты в Базельском университете.
Исследователи обнаружили, что характеристики оптического сигнала зависят от силы взаимодействия между электронами. Это особенно важно, поскольку подобный подход может использоваться для изучения других квантовых систем, состоящих из большого количества взаимодействующих частиц.
Чтобы объяснить полученные результаты, экспериментальная группа объединила усилия с командой Михаэля Кнапа, профессора коллективной квантовой динамики в Техническом университете Мюнхена.
Теоретические расчёты показали, что падающий свет создаёт в материале экситоны — связанные состояния электрона и электронной дырки. Эти возбуждения взаимодействуют с упорядоченной электронной структурой кристалла Вигнера, в результате чего формируются гибридные квазичастицы, называемые поляронами.
Именно поляроны стали своеобразными оптическими зондами, позволившими исследователям получить информацию о коллективной динамике кристалла Вигнера.
«Особенно интересно то, что эти сигналы несут информацию не только о том, как расположены электроны, но и об их квантовой динамике», — отметил Фабиан Пихлер, аспирант Технического университета Мюнхена и участник исследовательской группы Кнапа. «Это позволяет напрямую связать экспериментальные наблюдения с лежащей в их основе физикой многих тел».
Результаты работы показывают, что атомарно тонкие материалы могут стать удобной платформой для наблюдения за коллективным движением электронов в упорядоченных квантовых состояниях.
Новый метод потенциально позволит исследовать не только кристаллы Вигнера, но и другие материалы со сложными коллективными квантовыми состояниями. Особенно важным это может оказаться для изучения сильно коррелированной материи, в которой поведение отдельных частиц тесно связано с поведением всей системы.
Исследование в журнале Nature Physics.