Ein Kristall, der vollständig aus Elektronen besteht? Die Prophezeiung von vor 90 Jahren hat sich diesmal bewahrheitet

Eine neue exotische Substanz stellt erneut die Magie der Quantenmechanik unter Beweis.

Geschrieben von Yu Huai

Atome können regelmäßig angeordnete Gitter bilden. Von den überall vorkommenden Metallen bis hin zum Silizium in Chips sind viele feste Substanzen das Produkt regelmäßig angeordneter Atome (Kristalle). Bei genauerer Betrachtung besteht ein Atom aus einem positiv geladenen Kern und negativ geladenen Elektronen. Gibt es also ein Kristallgitter, das ausschließlich durch die regelmäßige Anordnung von Elektronen entsteht?

Vor 90 Jahren sagte der berühmte Physiker Eugene Wigner den Elektronenkristall theoretisch voraus. Die gegenseitige Abstoßung der Elektronen führt dazu, dass sie sich voneinander wegbewegen, während eine bestimmte Elektronendichte verhindert, dass sie sich auf unbestimmte Zeit voneinander wegbewegen. Wenn diese widersprüchlichen Wechselwirkungen ausgeglichen sind, neigen Elektronen dazu, sich in einem regelmäßigen Gitter anzuordnen, um die durch die Wechselwirkungen hervorgerufene Energie zu reduzieren. Dieses Gitter wird daher „Wigner-Kristall“ genannt.

Heute konnten Wissenschaftler diese theoretische Vorhersage endlich direkt beobachten. Forscher der Princeton University veröffentlichten in der Zeitschrift Nature einen Artikel, in dem sie zum ersten Mal das Wigner-Gitter direkt fotografierten.

Physiker versuchen schon lange, Wigner-Kristalle Wirklichkeit werden zu lassen. Zur Herstellung von Wigner-Kristallen sind normalerweise extrem niedrige Temperaturen und geringe Abmessungen erforderlich, da die Wechselwirkungen zwischen den Elektronen unter diesen beiden Bedingungen stärker sind. Die frühesten Experimente gehen auf Arbeiten bei Bell Labs in den 1970er Jahren zurück. Die Forscher sprühten Elektronen auf die Oberfläche von flüssigem Helium, wodurch sich die Elektronen voneinander weg bewegten und ein Gitter bildeten. Aber solche Elektronen sind eher unabhängige Teilchen. In einem echten Wigner-Kristall sollten alle Elektronen ein Ganzes bilden und gemeinsam wie eine Welle wirken.

In den folgenden Jahrzehnten führten Physiker eine Reihe von Untersuchungen durch. Beispielsweise werden Halbleiter verwendet, um die Bewegung von Elektronen auf zwei Dimensionen zu beschränken, und Magnetfelder werden verwendet, um Elektronen zum Kreisen zu bringen und so die Bildung von Kristallen zu unterstützen. In vielen Arbeiten wurden indirekte Beweise für die Existenz von Wigner-Gittern gefunden. Bisher ist es den Menschen jedoch nicht gelungen, ein Bild des Wigner-Gitters zu machen und eine direkte Beobachtung durchzuführen.

Um solche subatomaren Strukturen zu „fotografieren“, wählten die Forscher das Rastertunnelmikroskop (STM). Das grundlegende Funktionsprinzip dieses Mikroskops besteht darin, den extrem schwachen Strom zu erfassen, der durch Quanteneffekte zwischen der Sonde und der Probe erzeugt wird, wodurch die Eigenschaften der Probe nach dem Scannen angezeigt werden. Mit dieser Methode kann die atomare Größenskala klar beobachtet werden, wodurch eine „Fotografie“ auf atomarer Ebene möglich wird.

Kreisförmig angeordnete Eisenatome auf einer Kupferoberfläche, fotografiert mit einem STM. Dies ist das Titelbild von Physics Today, November 1993.

Nach der Festlegung der Aufnahmemethode ist auch die Probenvorbereitung eine große Herausforderung. Zunächst muss die Probe extrem sauber und frei von Verunreinigungen sein. Ein Wigner-Kristall ist ein Kristall, der nur aus Elektronen besteht. Alle Elektronen interagieren quantenmechanisch miteinander und agieren im Einklang. Sogar die Anwesenheit eines einzigen Verunreinigungspartikels könnte die Wechselwirkung unterbrechen, indem es eine Falle bildet, die Elektronen einfängt.

Forscher der Princeton University wählten gestapeltes doppellagiges Graphen als Probe, kühlten es ab und legten dann ein Magnetfeld senkrecht zur Richtung der Probe an, um ein sich in zwei Dimensionen bewegendes Elektronengas zu erzeugen. Dies ermöglicht auch eine einfache Abstimmung der Elektronendichte.

Nach all der harten Arbeit sind die Ergebnisse erstaunlich. Mithilfe eines Rastertunnelmikroskops haben Wissenschaftler erstmals einen Wigner-Kristall beobachtet, der nur aus Elektronen besteht. Dank der ultrahohen Auflösung des Mikroskops kann festgestellt werden, dass keine Verunreinigungen vorhanden sind. Die Elektronen, aus denen das Gitter besteht, sind regelmäßig in engen Dreiecken angeordnet, und die Größe der Dreiecke ändert sich, wenn die Elektronendichte angepasst wird. Dies bestätigte weiter, dass das Gitter durch die Wechselwirkung von Elektronen gebildet wurde und nicht durch Verunreinigungen beeinflusst wurde.

Die Wissenschaftler stellten außerdem fest, dass diese Elektronen, die im Gitter regelmäßig angeordnet sein sollten, etwas verschwommen waren. Die Forscher erklären, dass dies auf die „Nullpunktenergie“ des Elektrons zurückzuführen ist – die niedrigste Energie eines durch die Quantenmechanik beschriebenen Systems, die mit Heisenbergs Unschärferelation zusammenhängt. Ein derart unscharfes Elektronenbild beweist, dass der eingefangene Wigner-Kristall aufgrund quantenmechanischer Effekte entstanden ist.

Wigner-Kristalle sind eine neuartige Phase der Materie. Eines der Ziele der Physiker besteht darin, diese neuen Phasen kontinuierlich zu erforschen, sie zu erkennen und aufzuzeichnen und zu verstehen, wie sich verschiedene Phasen umwandeln, um die Quantenwelt besser zu verstehen.

Verweise

[1] Tsui, YC., He, M., Hu, Y. et al. Direkte Beobachtung eines magnetfeldinduzierten Wigner-Kristalls. Nature 628, 287–292 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07212-7

Produziert von: Science Popularization China

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