ETH-Forscher beobachten erstmals Wigner-Kristall
ETH-Forschenden ist es gelungen, einen Kristall zu beobachten, der nur aus Elektronen besteht. Das Phänomen gilt als «Heiliger Gral der Festkörperphysik».
Das Wichtigste in Kürze
- Forschende der ETH haben einen sogenannten Wigner-Kristall erstmals beobachtet.
- Dieser besteht nur aus Elektronen.
ETH-Forscher haben erstmals einen Kristall beobachtet, der nur aus Elektronen besteht. Das Phänomen des «Wigner-Kristalls» gilt als «Heiliger Gral der Festkörperphysik»: Vorausgesagt wurde es vor fast 90 Jahren, nur die direkte Bestätigung blieb bisher aus.
Wigner-Kristalle können sich nur unter extremen Bedingungen bilden: etwa bei tiefen Temperaturen und einer sehr geringen Anzahl freier Elektronen im Material.
Normalerweise ist die Bewegungsenergie von Elektronen in einer regelmässigen Anordnung viel grösser als die elektrostatische Energie. Dies, aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Elektronen. Um einen Kristall zu bilden, müsste es aber umgekehrt sein.
ETH: Mit elektrischer Spannung wurde Anzahl freier Elektronen minimiert
Forschende der ETH Zürich, wählten eine hauchdünne Schicht des Halbleitermaterials Molybdän-Diselenid. Diese ist gerade mal ein Atom dick und in der sich Elektronen daher nur in einer Ebene bewegen können. Mittels Anlegung einer elektrischen Spannung wurde die Zahl der freien Elektronen minimiert. Ausserdem wurde das Ganze abgekühlt auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius.
«Das nächste Problem war nachzuweisen, dass wir tatsächlich Wigner-Kristalle in unserem Apparat hatten.» Das erklärt Tomasz Smoleński, Erstautor der Studie und Postdoktorand in Imamoğlus Labor.
Der errechnete Abstand zwischen den Elektronen des Wigner-Kristalls sollte nämlich um die 20 Nanometer liegen. Das ist etwa dreissigmal kleiner als die Wellenlänge von sichtbarem Licht und damit selbst für die besten Mikroskope unauflösbar. Mit der Hilfe von sogenannten Exzitonen konnte die regelmässige Anordnung der Elektronen im Wigner-Kristall direkt nachgewiesen werden.
