Yeni kuantum fazı: Elektronların moleküler kristal yapısı ilk kez görüntülendi

Elektronlar ekseriyetle unsur içinde serbestçe hareket eden süratli parçacıklardır. Fakat 1930’larda fizikçi Eugene Wigner, düşük yoğunluk ve soğuk sıcaklıklarda elektronların hareketsiz hale getirilebileceğini ve daha sonra Wigner kristali olarak isimlendirilecek bir elektron buzu oluşturabileceğini öngörmüştü. Artık ise bu yapılar tarihte birinci kez görüntülendi.

Eugene Wigner’ın öngörüsünden neredeyse 90 yıl sonra, 2021’de, Berkeley Laboratuvarı Gereç Bilimleri Kısmı ve UC Berkeley’den Feng Wang ve Michael Crommie liderliğindeki bir grup, Wigner kristalleri olarak bilinen yapının varlığını kanıtlamayı başarmıştı. Artık ise Wang ve Crommie’nin öncülüğündeki bilim insanları, elektronların yeni bir kuantum fazını – Wigner moleküler kristalini – direkt görüntülemeyi başardılar.

Wigner moleküler kristali birinci defa görüntülendi

Wigner kristalleri ya da başka ismiyle elektron buzları, elektronların bal peteği formunda dizildiği bir yapıya sahip. Lakin Wigner moleküler kristali, iki ya da daha fazla elektronun oluşturduğu yapay “moleküllerin” yüksek sistemde sıralandığı daha karmaşık bir düzenle tanımlanıyor. Feng Wang, bu yeni kuantum fazı direkt gözlemlemenin beklenmedik ve heyecan verici bir gelişme olduğunu belirtti.

Yıllardır bilim insanları, Wigner moleküler kristallerinin direkt imgesini elde etmeye çalışsa da bu eforlar taramalı tünelleme mikroskobunun (STM) elektronik yapı üzerinde bozucu tesiri nedeniyle başarılı olamamıştı. Lakin, Berkeley Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar bu zorluğun üstesinden gelerek STM ucunun elektrik alanını minimuma indirip Wigner moleküler kristalinin hassas elektronik yapısını görüntüleyebildiler.

Deneyler sırasında araştırma takımı, atomik düzeyde ince bir tungsten disülfür (WS2) katmanını 49 nanometrelik altıgen boron nitrür (hBN) ve grafit bir kapı katmanının üzerine yerleştirerek “bükülmüş tungsten disülfür moiré üstün kafesi” ismi verilen bir nanomalzeme oluşturdu. Bu katmanlar ortasında 58 derecelik bir açı ile yerleştirilen WS2, düşük sıcaklıklarda elektronları mahallî olarak sonlandıran bir güç potansiyeli yaratarak elektronların Wigner molekül durumuna geçmesini sağladı.

Araştırmacılar gelecekteki deneylerde bu yeni STM tekniğini kullanarak Wigner moleküler kristallerinin kuantum fazını daha detaylı incelemeyi ve potansiyel uygulamaları keşfetmeyi hedeflediklerini söyledi. Bu çalışmaların gelecekteki kuantum hesaplama uygulamalarını hızlandırması mümkün olabilir.