کریستال‌ الکترونی چیست؟ ساخت و مشاهده آن‌ها ممکن می‌شود؟

ماجرای کریستال‌های الکترونی از کجا شروع شد؟ در سال 1934 یوجین ویگنر نوع جدیدی از کریستال را پیشنهاد داد.

او گفت: اگر بتوانیم چگالی الکترون‌ها را کم‌تر از مقدار مشخصی نگه داریم. می‌توانیم الکترون‌ها را به کریستال تبدیل کنیم.
در نتیجه یک کریستال از الکترون‌ها ایجاد می‌شود. این ایده کریستال ویگنر شناخته شد.

برای اولین بار چه زمانی کریستال الکترونی ویگنر مشاهده شد؟ در سال 1979 محققان از هلیوم برای تبدیل فاز الکترون مایع به الکترون کریستال استفاده کردند.

کنار هم نشاندن الکترون‌ها برای ایجاد یک کریستال بسیار دشوار است. آهن‌ربا را تصور کنید. قطب منفی، منفی را دفع می‌کند. کنار هم نگه داشتن دو قطب منفی کار آسانی نیست.

یک تیم از فیزیکدان‌ها روش جدیدی را ایجاد کردند. آن‌ها در این روش از لایه‌های تنگستن نیمه رسانا برای به دام انداختن الکترون‌ها استفاده می‌کنند.

کریستال‌های معمولی از شبکه‌ای از اتم‌ها تشکیل می‌شوند. یک شبکه تکرار شونده و سه بعدی که منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. مانند: الماس یا کوارتز.

ایده ویگنر می‌گوید: می‌توانیم از الکترون‌ها دقیقا به همان روش یک کریستال بسازیم. تا یک بلور جامد الکترونی ساخته شود.

یک کریستال الکترونی چه ویژگی‌هایی دارد؟

اما شرط ساختن یک کریستال الکترونی، ثابت نگه داشتن الکترون‌ها است.

الکترون‌ها همیشه در حال جنبش هستند. ما باید آن‌ها را در کنار یکدیگر ثابت نگه داریم. این کار با قانون دافعه کولن انجام می‌شود.

کین فای ماک فیزیکدان از دانشگاه کورنل است. او گفت: الکترون‌ها مکانیک کوانتومی دارند. آن‌ها همیشه در حال چرخیدن هستند.

یک کریستال از الکترون‌ها پایدار نیست. اگر یخ را در دست خود نگه دارید، آب می‌شود. کریستال‌های الکترونی همیشه علاقه به تغییر شکل و بی نظم شدن دارند.

برای ایجاد کریستال الکترونی ویگنر به یک تله قدرتمند نیاز است. مانند: میدان‌های مغناطیسی.

دانشمندان دانشگاه MIT برای ساخت یک لایه عایق تلاش کردند. آن‌ها احتمالا یک کریستال ویگنر ساخته‌اند. نتایج تحقیقات آن‌ها جالب است.

دانشمندان از یک ساختار از جنس گرافین استفاده کردند. این ساختار به عنوان ابر شبکه مویر شناخته می‌شود.

دو شبکه دو بُعدی با کمی چرخش روی هم قرار می‌گیرند و الگو‌های بزرگ‌تری را تشکیل می‌دهند. مانند تصویر بالا.

یانگ خو یک فیزیکدان است. او تیم کورنل را رهبری می‌کند. تیم آن‌ها از ساختار مویر به شکل خاص استفاده کرد.

این تیم از دی سولفید تنگستن و دی سیلن تنگستن برای تشکیل لایه‌ها استفاده کردند. این مواد در دانشگاه کلمبیا ساخته شده است.

هنگامی که شما لایه‌هایی از این جنس را بر روی هم قرار می‌دهید یک شش ضلعی ساخته می‌شود.

این ساختار‌های شش ضلعی به شما اجازه می‌دهد تا مقدار الکترون‌ها را کنترل کنید.

آن‌ها می‌خواستند الکترون‌ها را دقیقا در مکان‌های مشخصی قرار دهند. اما چطور؟ تعداد الکترون در فضای مشخص از طریق یک فرمول حساب می‌شود.

نتیجه این فرمول یک ترکیب از الکترون‌ها است که بلور را تشکیل‌ می‌دهد.

در نهایت، آیا ما کریستال‌های ویگنر را درست تشخیص می‌دهیم؟ فکر می‌کنیم که تنها راه تشخیص آن‌ها مشاهده است.

ماک گفت: شما برای ایجاد یک کریستال الکترونی باید شرایط مناسب را ایجاد کنید. آن‌ها شکننده هستند.

شما به روش خوبی برای بررسی آن‌ها نیاز دارید. با کمی بی دقتی این کریستال‌ها از هم جدا می‌شوند.

برای بررسی کریستال‌ها از یک سنسور نوری استفاده شد. این سنسور در فاصله یک نانومتری کریستال قرار گرفت.

سنسور نباید با نمونه برخورد کند. یک لایه نیترید بور بین نمونه و سنسور قرار گرفت. این لایه برای جدا کردن نمونه از سنسور لازم است اما حساسیت آن‌ را کاهش نمی‌دهد.

این روش بررسی به تیم کمک کرد. آن‌ها نمونه را به طور کامل بررسی کردند. الکترون‌ها به شکل کریستال در شبکه مویر قرار گرفته بودند.

این دستاورد کاربرد ابر شبکه مویر را برای تحقیقات فیزیک کوانتوم نشان می‌دهد.

فیزیک کوانتوم برای شبیه سازی بسیاری از حالات کوانتومی با مشکلاتی رو به رو است. این تحقیقات برای حل آن مشکلات مفید است.

این مقاله در سایت نِیچر منتشر شده است.

منبع: sciencealert.com