科學家發(fā)現(xiàn)了一個電子的量子晶體并觀察它的融化

麻省理工學院的物理學家第一次在半導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。這些觀察結果證實了量子力學中的一個基本相變，這在理論上是在80多年前提出的，但直到現(xiàn)在才進行實驗記錄。

由麻省理工學院物理學教授Raymond Ashoori和他的博士后Joonho Jang領導的團隊使用了Ashoori小組開發(fā)的光譜技術。該方法依賴于電子“隧道效應”，這是一種量子力學過程，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，研究人員將電子射入過冷材料中，以測量半導體片內電子的能態(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，電子晶體已被預測融化。

研究人員認為，他們終于抓住了量子力學過程 - 量子力學中的一個相變，其中純粹通過量子相互作用形成晶體結構的電子融化成更加無序的流體，以響應其密度的量子波動。

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

Ashoori和Jang在“ 自然物理學 ”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院博士后Benjamin Hunt，以及普林斯頓大學的Loren Pfeiffer和Kenneth West。

一個結晶的想法

1934年，匈牙利裔物理學家尤金·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體金屬能夠以電子的形式導電，該電子以較低的速度繞乒乓傳播，從而產生穿過材料的電流。

然而，在極端溫度下，這些金屬中的電子應該幾乎停止運轉，因為幾乎沒有熱量來刺激它們的運動。那么，電子確實表現(xiàn)出的任何運動都應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，從而產生電子晶體。這種剛性裝置，由此被制成Wigner晶體，應該將金屬變成絕緣體而不是電導體。

通過量子隧道

自Wigner的提議以來，其他人試圖在實驗室中觀察Wigner晶體，結果不確定。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探測二維電子片。

在過去的十年中，該小組已經開發(fā)并改進了其技術，其涉及通過屏障射擊電子以探測另一側的材料的能量狀態(tài)。量子力學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，而另一側則不變。

這個想法是研究人員的隧穿技術的關鍵，在這種技術中，他們通過半導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)”

在他們的實驗中，該團隊在鋁砷化鎵屏障下探測了半導體砷化鎵片。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Jang注意到數(shù)據(jù)中非常尖銳的峰值時，他通過以前的理論文獻來解釋這個特征并最終得出結論，鑒于峰值形成的溫度和電子密度，它只能是水晶的標志。電子一致振動

“許多理論預測符合我們的觀察，因此，我們認為，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，最終達到峰值，然后在理論預測晶體應該熔化的確切點消失。研究人員推測，電子晶體必須變得如此致密，以至于整個結構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)。”

該團隊正致力于進一步提高其電子隧道技術的分辨率，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間的推移確定這一點。”