Дивна форма матерії: через 90 років фізики побачили загадковий Вігнерівський кристал (фото)

Як відомо, електрони обертаються навколо ядра атомів. 90 років тому фізик Юджин Вігнер припустив, що вільні електрони можуть збиратися докупи в особливому виді матерії, в якій узагалі немає атомів, а є лише електрони, і вони можуть формувати кристалічну решітку. Цей вид матерії називається Вігнерівський кристал і фізики нарешті отримали прямі наглядові докази того, що він існує. Результати дослідження були опубліковані в журналі Nature, пише ScienceAlert.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

За словами вчених, Вігнерівський кристал являє собою одну з найдивовижніших квантових форм матерії і досі знаходили лише непрямі докази того, що вона існує. Тепер же фізики вперше змогли візуалізувати Вінгнерівський кристал і підтвердили багато його властивостей, передбачених 90 років тому.

Кристали являють собою один зі способів розташування атомів у твердій речовині. У звичайних кристалічних матеріалах атоми пов'язані один з одним так, що утворюють візерунок, який повторюється в просторі.

У 1934 році Юджин Вігнер припустив, що електрони можуть створювати схожі структури, чому сприяє їхнє взаємне відштовхування, яке створюється негативним зарядом електрона. Взаємодія між електронами може призвести до їх спонтанного розташування в кристалоподібній решітці з щільно упакованих електронів. Фізики припустили, що за надзвичайно низьких температур і низької щільності взаємодія між електронами має призвести до того, що їхня потенційна енергія буде більшою за кінетичну.

Згідно з теорією, такі кристали мають поводитися не відповідно до класичної фізики, а відповідно до квантової механіки, де пов'язані електрони поводитимуться не як дискретні частинки, а як окрема хвиля.

Автори нового дослідження використовували магнітні поля, щоб індукувати Вігнерівський кристал у графені. Два аркуші графена розташували в певній конфігурації, а потім охолодили до майже абсолютного нуля. Потім учені застосували магнітне поле для налаштування щільності електронного газу, який знаходився між листами графена.

Вігнерівський кристал має зону найкращого сприйняття золотої середини щільності електронів. Якщо густина занадто маленька, електрони відштовхуватимуть один одного і просто віддалятимуться. Якщо щільність занадто висока, то електрони зіллються в електронну рідину.

Щоб отримати Вігнерівський кристал, фізики використовували скануючу тунельну мікроскопію високої роздільної здатності. Вона використовує квантове тунелювання для дослідження матеріалів на атомному рівні.

Змінивши щільність, вчені змогли запустити фазовий перехід електронів і виявили, що вони спонтанно формуються в упорядкований кристал. Таким чином було отримано перші прямі зображення Вігнерівського кристала, а також було доведено, що він насправді існує.

Як уже писав Фокус, під час експерименту на Великому адронному колайдері вчені виміряли ширину такої елементарної частинки, як W-бозон. Нове значення є більш точним на сьогоднішній день. Також фізики уточнили масу цієї частинки. Вважається, що зміни в ширині W-бозона можуть вказувати на невідомі явища, які виходять за рамки нинішньої фізики.