Quando gli elettroni che si respingono sono confinati in un piccolo spazio, possono formare uno stato cristallino ordinato noto come cristallo di Wigner. Osservare il fragile cristallo è difficile, poiché richiede condizioni estreme tra cui basse temperature e densità, così come sonde di imaging non invasive. Per superare le difficili condizioni dell'imaging, I. Shapir e un gruppo di ricerca nei dipartimenti di fisica e fisica della materia condensata in Israele, Romania e Ungheria hanno creato le condizioni in un nanotubo di carbonio (NT) per ospitare gli elettroni. Hanno seguito questa fase sperimentale utilizzando un secondo nanotubo come sonda (chiamato "sonda NT") per scansionare il primo nanotubo (denominato "sistema NT"). I fisici hanno misurato le densità elettroniche e hanno mostrato la loro coerenza con le previsioni teoriche per dimostrare piccoli cristalli Wigner fino a sei elettroni in una dimensione (1-D). I risultati sono ora pubblicati in Scienza .

Più di 80 anni fa, il fisico Eugene Wigner predisse il cristallo quantico degli elettroni, che rimane uno degli stati più sfuggenti della materia. Nel presente lavoro, Shapir e collaboratori hanno sviluppato una tecnica per visualizzare direttamente il cristallo Wigner in 1-D, visualizzando la sua densità di carica nello spazio reale. Hanno ottenuto immagini di alcuni elettroni confinati in 1-D che corrispondevano alle previsioni teoriche per i cristalli fortemente interagenti. Gli scienziati hanno osservato la natura quantistica del cristallo utilizzando il tunneling collettivo attraverso una barriera di potenziale elettrico confinata con porte elettricamente indipendenti. Il lavoro ha fornito prove dirette della formazione di piccoli cristalli di Wigner, aprendo la strada allo studio degli stati fragili degli elettroni che interagiscono tra loro, visualizzando la loro densità di molti corpi nello spazio reale.

Nel suo articolo del 1934, il fisico Eugene Wigner predisse che quando le interazioni coulombiane a lungo raggio in un sistema di elettroni dominavano l'energia cinetica e il disordine, emergerebbero in uno stato fondamentale cristallino. Dove gli elettroni sono stati tenuti separati indipendentemente dal loro numero quantico. I fisici sperimentali hanno iniziato a cercare questo cristallo quantico nei sistemi elettronici più puliti disponibili da allora in poi, compreso l'elio liquido e le eterostrutture a semiconduttore a bassa dimensionalità.

I fisici avevano precedentemente condotto misurazioni in sistemi elettronici bidimensionali (2-D) relativi al trasporto, campi a microonde, risonanza magnetica nucleare, ottico, tunneling e sistemi elettronici a doppio strato per indicare l'esistenza di un cristallo ad alti campi magnetici. Osservando uno stato cristallino in una dimensione (1-D), in un sistema infinito è inaspettato, poiché le fluttuazioni termiche e quantistiche possono distruggere l'ordine a lungo raggio. Però, nei sistemi finiti, i fisici avevano studiato lo stato teorico unidimensionale del cristallo di Wigner poiché l'ordine quasi a lungo raggio produceva correlazioni cristalline. I fisici sperimentali hanno seguito questa osservazione con sondaggi sperimentali tramite misurazioni di trasporto, ma gli esperimenti potevano solo sondare le proprietà macroscopiche di questo stato.

In linea di principio, è necessario uno strumento di imaging adatto per osservare l'impronta digitale univoca di un cristallo di Wigner nella sua struttura nello spazio reale. Gli scienziati hanno quindi utilizzato esperimenti con sonda a scansione, sebbene potessero solo visualizzare lo stato di non interazione o mostrare il gating invasivo dalla sonda. Le misurazioni hanno evidenziato la difficoltà intrinseca dell'imaging delle interazioni degli elettroni con i metodi di scansione convenzionali. Per risolvere e identificare individualmente gli elettroni, un macroscopico, punta metallica o dielettrica dovrebbe avvicinarsi agli elettroni più vicino della loro reciproca separazione. Tuttavia, tali suggerimenti e le loro interazioni possono distorcere fortemente lo stato oggetto di studio. Gli scienziati hanno quindi richiesto una sonda di scansione diversa per visualizzare uno stato di interazione o un sistema di elettroni.

Nel presente lavoro, Shapir et al. ha introdotto una piattaforma di sonda di scansione che utilizzava un nanotubo di carbonio (NT) come una sonda altamente sensibile, ancora una sonda di scansione minimamente invasiva per visualizzare la densità di molti corpi di elettroni fortemente interagenti. La piattaforma conteneva un microscopio con sonda a scansione su misura operante a temperature criogeniche (~ 10 mK) in cui due dispositivi NT opposti potevano essere avvicinati e scansionati l'uno sull'altro. Gli scienziati hanno utilizzato un dispositivo per ospitare il sistema NT come piattaforma 1-D in fase di studio, e il secondo dispositivo perpendicolarmente a quello per contenere la sonda NT. Hanno assemblato i due dispositivi utilizzando una tecnica di nanoassemblaggio per formare NT incontaminati sospesi sopra una serie di porte metalliche.

Gli scienziati hanno mantenuto in modo cruciale interazioni forti e un basso disordine nel sistema per ottenere un cristallo di Wigner sospendendo gli NT molto al di sopra delle porte metalliche a 400 nm. Quindi utilizzando 10 porte elettricamente indipendenti hanno progettato un potenziale che confinava gli elettroni tra due barriere distanti 1 µm, localizzandoli centralmente in un lungo nanotubo sospeso, lontano dai contatti per evitare interazioni indesiderate.

Shapir et al. utilizzato barriere altamente opache per impedire l'ibridazione della funzione d'onda dell'elettrone confinato con quelle degli elettroni nel resto del NT. Poiché il trasporto in questa situazione era altamente soppresso, gli scienziati hanno sondato gli elettroni confinati utilizzando un rilevatore di carica situato su un segmento separato dello stesso NT. Il dispositivo sonda NT utilizzato separatamente nello studio ha mantenuto una struttura quasi identica, che differiva solo per la lunghezza della sospensione di 1,6 µm e il numero di porte (tre).

Gli scienziati hanno dimostrato il principio di funzionamento alla base della tecnica di imaging nota come "carica di scansione, " a partire dai più semplici esperimenti sull'imaging della distribuzione di carica di un singolo elettrone confinato in una scatola 1-D. Shapir et al. hanno misurato la risposta energetica del sistema a una perturbazione scansionata (agitazione) e hanno determinato direttamente la distribuzione della densità del sistema. Da misurare l'energia del sistema in funzione della sonda NT, gli scienziati hanno risolto direttamente il profilo di densità dell'elettrone. Quando si misura l'energia, gli scienziati l'hanno riferita all'energia di Fermi nei conduttori e hanno attribuito la perturbazione prodotta dalle sonde alla separazione tra le due NT e alla carica confinata all'interno della sonda NT.

Shapir et al. ottenuto sei pannelli negli esperimenti per indicare la densità differenziale dei sei elettroni aggiunti al sistema NT. Per minime perturbazioni, hanno eseguito tutte le scansioni con un elettrone nella sonda NT. I profili di densità dell'immagine differivano chiaramente da quelli previsti dalla fisica delle singole particelle, ma corrispondevano a quelli di un cristallo fortemente interagente. Quando Shapir et al. aumentato il numero di elettroni, la spaziatura degli elettroni ridotta, sebbene la loro velocità complessiva aumentasse per indicare gli elettroni confinati in una "scatola" con pareti morbide. Le immagini risultanti fornite direttamente, osservazioni nello spazio reale dei cristalli elettronici di Wigner.

Per comprendere quantitativamente le misurazioni, Shapir et al. ha eseguito calcoli del gruppo di rinormalizzazione della matrice di densità (DMRG) e ha incluso interazioni Coulomb a lungo raggio. Le posizioni degli elettroni misurate (viste come stelle verdi) concordavano bene con quelle previste da DMRG, posizionando i cristalli osservati bene all'interno del regime fortemente interagente nel setup sperimentale. Per comprendere la natura quantistica del cristallo Wigner, Shapir et al. ha misurato le caratteristiche di tunneling del cristallo e si aspettava che le correlazioni tra gli elettroni in un cristallo facessero passare il cristallo attraverso una barriera collettivamente. Hanno osservato che la densità differenziale del tunneling diventa più interessante in un sistema con più di un elettrone poiché mostra impronte dirette di movimento collettivo.

In questo modo, Shapir et al. ha utilizzato un nuovo metodo per visualizzare direttamente l'ordinamento spaziale degli elettroni interagenti. In base ai risultati, anticipano la possibilità di affrontare ulteriori questioni di base relative al cristallo elettronico quantistico, compresa la natura del suo ordinamento magnetico. La piattaforma di scansione sviluppata da Shapir et al. consentirà un'ulteriore esplorazione di una gamma molto ampia di stati canonici di elettroni interagenti della materia che in precedenza erano al di fuori della portata dell'imaging.

© 2019 Scienza X Rete