Ομάδα φυσικών απαθανάτισε για πρώτη φορά έναν κρύσταλλο Βίγκνερ, ένα παράξενο υλικό με κυψελωτό μοτίβο, το οποίο αποτελείται εξ ολοκλήρου από ηλεκτρόνια.
Ο Ούγγρος φυσικός Γιουτζίν Βίγκνερ, ένας από τους ιδρυτές της θεωρίας της συμμετρίας στην κβαντομηχανική, θεωρητικοποίησε για πρώτη φορά αυτόν τον κρύσταλλο το 1934, αλλά χρειάστηκαν περισσότερες από οκτώ δεκαετίες για να μπορέσουν οι επιστήμονες να δουν αυτόν τον κρύσταλλο που αποτελείται μόνο από ηλεκτρόνια. Η συναρπαστική πρώτη εικόνα δείχνει ηλεκτρόνια στριμωγμένα μεταξύ τους σε ένα σφιχτό, επαναλαμβανόμενο μοτίβο – σαν μικροσκοπικά μπλε φτερά πεταλούδας.
Οι ερευνητές της μελέτης, η οποία δημοσιεύθηκε στις 29 Σεπτεμβρίου στο περιοδικό «Nature», λένε ότι δεν είναι η πρώτη φορά που δημιουργείται ή μελετάται ένας τέτοιος κρύσταλλος. Ωστόσο, τα οπτικά στοιχεία που συνέλεξαν είναι η πιο εμφατική απόδειξη της ύπαρξης του υλικού μέχρι στιγμής.
Μέσα σε συνηθισμένους αγωγούς όπως ο άργυρος ή ο χαλκός ή σε ημιαγωγούς όπως το πυρίτιο, τα ηλεκτρόνια κινούνται τόσο γρήγορα που μετά βίας μπορούν να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους. Ωστόσο, σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, τα άλλοτε εξαιρετικά ευκίνητα σωματίδια ακινητοποιούνται και οργανώνονται σε ένα επαναλαμβανόμενο, κυψελοειδές μοτίβο για να ελαχιστοποιήσουν τη συνολική κατανάλωση ενέργειας.
Για να το δουν αυτό στην πράξη, οι ερευνητές παγίδευσαν ηλεκτρόνια στο κενό ανάμεσα σε δυο στρώσεις -πάχους ενός ατόμου- δύο ημιαγωγών βολφραμίου. Στη συνέχεια, αφού εφάρμοσαν ένα ηλεκτρικό πεδίο κατά μήκος του χάσματος για να απομακρύνουν τυχόν πλεονάζοντα ηλεκτρόνια, οι ερευνητές πάγωσαν το “σάντουιτς” ηλεκτρονίων στους 5 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν. Τα ηλεκτρόνια σταμάτησαν να κινούνται και εγκαταστάθηκαν στην επαναλαμβανόμενη δομή ενός κρυστάλλου Βίγκνερ.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια συσκευή που ονομάζεται μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας (STM) για να δουν αυτόν τον νέο κρύσταλλο. Τα STM λειτουργούν εφαρμόζοντας μια μικροσκοπική τάση σε μια πολύ αιχμηρή μεταλλική άκρη πριν την περάσουν ακριβώς πάνω από ένα υλικό, προκαλώντας τα ηλεκτρόνια να μεταπηδήξουν προς την επιφάνεια του υλικού από την άκρη. Ο ρυθμός με τον οποίο τα ηλεκτρόνια μεταπηδούν, εξαρτάται από το τι βρίσκεται κάτω από αυτά. Έτσι, οι ερευνητές μπόρεσαν να δημιουργήσουν μια εικόνα του περιγράμματος μιας δισδιάστατης επιφάνειας, μετρώντας τη ροή του ρεύματος σε κάθε σημείο.
Όμως το ρεύμα που παρείχε το STM ήταν αρχικά υπερβολικό για τον ευαίσθητο κρύσταλλο ηλεκτρονίων, με αποτέλεσμα να το «λιώνει» κατά την επαφή. Για να το σταματήσουν αυτό, οι ερευνητές εισήγαγαν ένα στρώμα γραφενίου -πάχος ενός ατόμου- ακριβώς πάνω από τον κρύσταλλο, επιτρέποντας του να αλληλεπιδράσει με το γραφένιο και να αφήσει ένα αποτύπωμα πάνω του. Το STM θα μπορούσε να διαβάσει αυτό το αποτύπωμα, όπως ακριβώς ένα φωτοτυπικό μηχάνημα. Ανιχνεύοντας πλήρως την εικόνα που αποτυπώθηκε στο φύλλο γραφενίου, το STM κατέγραψε το πρώτο στιγμιότυπο του κρυστάλλου Βίγκνερ, αποδεικνύοντας την ύπαρξή του πέρα από κάθε αμφιβολία.
Τώρα που έχουν πειστική απόδειξη ότι οι κρύσταλλοι Βίγκνερ υπάρχουν, οι επιστήμονες μπορούν να τους χρησιμοποιήσουν για να απαντήσουν σε βαθύτερα ερωτήματα σχετικά με το πώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους πολλαπλά ηλεκτρόνια, γιατί οι κρύσταλλοι διατάσσονται σε κυψελοειδή διάταξη και πώς «λιώνουν». Οι απαντήσεις θα δώσουν νέες πληροφορίες για μερικές από τις πιο δυσνόητες ιδιότητες των μικροσκοπικών σωματιδίων.
ΠΗΓΗ: Live Science
www.ertnews.gr
Εύη Τσιριγωτάκη