Ученые долго не могли получить изображения молекулярного электронного льда, потому что используемые методики разрушали объект исследования. Та же группа, что доказала существование электронного кристалла, придумала способ модифицировать сканирующий электронный микроскоп и получила первые изображения молекулы Вигнера.
Изображения, полученные с помощью сканирующего туннельного микроскопа, показывают, как электроны превращаются в одиночную молекулу Вигнера (нижний правый угол) / © Berkeley Lab
Электроны обычно движутся сквозь материалы так быстро, что не образуют ни с чем связей. В 1930-х годах физик Юджин Вигнер (Eugene Wigner) предсказал, что электроны могут быть приведены в неподвижное состояние при низкой плотности и температурах, образуя «электронный лед», он же — Вигнеровский кристалл.
В 2021 году в Беркли (США) исследовательские группы под руководством Фэна Ванга (Feng Wang) и Майкла Кромми (Michael Crommie) доказали существование таких электронных кристаллов. Теперь те же ученые получили изображения новой квантовой фазы твердого электронного тела — молекулярного Вигнеровского кристалла. Результаты научной работы опубликованы в журнале Science.
Обычные Вигнеровские кристаллы образуют соты с упорядоченным расположением электронов. В молекулярных Вигнеровских кристаллах создаются высокоупорядоченные структуры из искусственных «молекул», каждая из которых состоит из двух или более электронов.
Долгие годы ученые пытались получить прямые изображения молекулярного Вигнеровского кристалла. Это оказалось сложной задачей, потому что молекулярный электронный лед разрушался при попытке его запечатлеть. Наконечник сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), с помощью которого можно получить нужные изображения, разрушал электронную конфигурацию материала.
В новом исследовании ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли решили эту проблему. Они разработали метод, сводящий к минимуму электрическое поле, создаваемое наконечником СТМ. С помощью этой модификации исследователи смогли снять деликатную электронную структуру молекулярного Вигнеровского кристалла.
Для экспериментов ученые разработали наноматериал под названием «скрученная дисульфид-вольфрамовая (tWS2) сверхрешетка муарового типа». Сперва они создали двухслойный дисульфид вольфрама (WS2) со слоями, уложенными друг на друга с углом поворота 58 градусов. Затем их положили на гексагональный нитрид бора (hBN) толщиной 49 нанометров и графитовый затвор.
Применив свою СТМ-технику, физики обнаружили, что легирование сверхрешетки tWS2 электронами заполняет каждую ячейку шириной 10 нанометров всего двумя или тремя электронами. В результате эти заполненные ячейки сформировали массив электронных молекул муарового типа по всей сверхрешетке, что привело к образованию молекулярного Вигнеровского кристалла.
«Низкие температуры вместе с энергетическим потенциалом, созданным сверхрешеткой tWS2, локально удерживают электроны», — объяснил Ванг.
В дальнейшем Ванг, Кромми и их команда планируют применить свою технику СТМ для более глубокого изучения этой новой квантовой фазы и поиска возможных применений, которые она может открыть.
