科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個電子的量子晶體并觀察它的融化

麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家第一次在半導(dǎo)體材料中觀察到高度有序的電子晶體并記錄其熔化，就像冰融化成水一樣。這些觀察結(jié)果證實(shí)了量子力學(xué)中的一個基本相變，這在理論上是在80多年前提出的，但直到現(xiàn)在才進(jìn)行實(shí)驗(yàn)記錄。

由麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授Raymond Ashoori和他的博士后Joonho Jang領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)使用了Ashoori小組開發(fā)的光譜技術(shù)。該方法依賴于電子“隧道效應(yīng)”，這是一種量子力學(xué)過程，允許研究人員以精確的能量將電子注入感興趣的系統(tǒng) - 在這種情況下，是一個二維捕獲的電子系統(tǒng)。該方法使用數(shù)十萬個短電脈沖來探測半導(dǎo)體材料中的一片電子，這些材料被冷卻到極低溫度，剛好高于絕對零度。

利用隧道技術(shù)，研究人員將電子射入過冷材料中，以測量半導(dǎo)體片內(nèi)電子的能態(tài)。在背景模糊的情況下，他們檢測到數(shù)據(jù)急劇飆升。經(jīng)過大量分析后，他們確定尖峰是從高度有序的電子晶體一致振動發(fā)出的精確信號。

隨著電子密度的增加，基本上將它們裝入片材內(nèi)的更緊湊的區(qū)域，他們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)峰值射到更高的能量，然后完全消失，恰好在電子密度下，電子晶體已被預(yù)測融化。

研究人員認(rèn)為，他們終于抓住了量子力學(xué)過程 - 量子力學(xué)中的一個相變，其中純粹通過量子相互作用形成晶體結(jié)構(gòu)的電子融化成更加無序的流體，以響應(yīng)其密度的量子波動。

“我們看到了一些全新的東西，”Ashoori說。“很多人都在尋找很長時(shí)間來展示電子晶體熔化，我想我們已經(jīng)做到了。”

Ashoori和Jang在“ 自然物理學(xué) ”雜志上發(fā)表了他們的研究成果。他們的合著者是前麻省理工學(xué)院博士后Benjamin Hunt，以及普林斯頓大學(xué)的Loren Pfeiffer和Kenneth West。

一個結(jié)晶的想法

1934年，匈牙利裔物理學(xué)家尤金·維格納(Eugene Wigner)首次提出了電子晶體的概念。通常，諸如硅和鋁之類的半導(dǎo)體金屬能夠以電子的形式導(dǎo)電，該電子以較低的速度繞乒乓傳播，從而產(chǎn)生穿過材料的電流。

然而，在極端溫度下，這些金屬中的電子應(yīng)該幾乎停止運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)閹缀鯖]有熱量來刺激它們的運(yùn)動。那么，電子確實(shí)表現(xiàn)出的任何運(yùn)動都應(yīng)該是由于量子相互作用 - 單個電子與其他量子亞原子粒子之間的無形力。

帶負(fù)電的電子自然相互排斥。Wigner提出，對于低密度的過冷電子，它們的相互排斥力應(yīng)該作為一種支架，將電子保持在一起，以相等的間隔分開，從而產(chǎn)生電子晶體。這種剛性裝置，由此被制成Wigner晶體，應(yīng)該將金屬變成絕緣體而不是電導(dǎo)體。

通過量子隧道

自Wigner的提議以來，其他人試圖在實(shí)驗(yàn)室中觀察Wigner晶體，結(jié)果不確定。對于他們來說，Ashoori和Jang最初并不打算找到Wigner晶體，而只是想用他們的電子隧道技術(shù)探測二維電子片。

在過去的十年中，該小組已經(jīng)開發(fā)并改進(jìn)了其技術(shù)，其涉及通過屏障射擊電子以探測另一側(cè)的材料的能量狀態(tài)。量子力學(xué)要求宇宙中的任何物體都有可能穿過或“穿過”一個看似難以穿透的障礙，而另一側(cè)則不變。

這個想法是研究人員的隧穿技術(shù)的關(guān)鍵，在這種技術(shù)中，他們通過半導(dǎo)體屏障將電子射向下面的二維電子片。在那里，隧道電子可以引起周圍電子的振動，研究人員可以根據(jù)隧道電子的已知能量來測量能量。

一個“偶然的發(fā)現(xiàn)”

在他們的實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)在鋁砷化鎵屏障下探測了半導(dǎo)體砷化鎵片。研究人員將整個樣品冷卻至絕對零度以上的一小部分，并以不同的能量施加電子脈沖，然后分析得到的數(shù)據(jù)。

當(dāng)Jang注意到數(shù)據(jù)中非常尖銳的峰值時(shí)，他通過以前的理論文獻(xiàn)來解釋這個特征并最終得出結(jié)論，鑒于峰值形成的溫度和電子密度，它只能是水晶的標(biāo)志。電子一致振動

“許多理論預(yù)測符合我們的觀察，因此，我們認(rèn)為，這是一支冒煙的槍，”Jang說。“我們觀察到了電子晶體的振鈴。”

研究人員更進(jìn)一步，看看如果改變二維片材中的電子密度會發(fā)生什么。隨著密度的增加，電子晶體的振動能量也隨之發(fā)生，最終達(dá)到峰值，然后在理論預(yù)測晶體應(yīng)該熔化的確切點(diǎn)消失。研究人員推測，電子晶體必須變得如此致密，以至于整個結(jié)構(gòu)都會崩潰成一種更加無序，流動的狀態(tài)。

Ashoori說：“沒有人用這種分辨率來看待這個系統(tǒng)。” “這完全是一個偶然的發(fā)現(xiàn)。”

該團(tuán)隊(duì)正致力于進(jìn)一步提高其電子隧道技術(shù)的分辨率，希望利用它來辨別電子晶體的特定形狀。

“不同的晶體具有不同的振動模式，如果我們有更好的分辨率，我們可以確定振動曲線中是否存在表示不同模式或形狀的某些峰值，”Ashoori說。“有理由相信我們可以隨著時(shí)間的推移確定這一點(diǎn)。”