Szenzáció az elméleti fizikában: sikerült létrehozni a Wigner Jenő által 1934-ben megálmodott kristályt

Nincsen jövőnk tudomány nélkül, nincsen Qubit nélkületek. Támogasd a munkánkat!

Wigner Jenő, a kvantummechanika úttörője még nem volt 32 éves, amikor 1934-ben megalkotta egy különös anyag, egy kizárólag elektronok alkotta kristály elméletét. Az ötlet egyszerű volt, bizonyítani annál nehezebb. A fizikusok az elmúlt csaknem kilencven évben sok mindennel próbálkoztak, hogy az elektronokat arra késztessék, hogy Wigner-kristályba álljanak össze, de erőfeszítéseiket nem sok siker koronázta.

Idén nyáron azonban két egymástól független fizikuscsoport arról számolt be a Nature-ben, hogy sikerült az eddigi legközvetlenebb kísérleti megfigyeléseket tenniük a magyar tudós által feltételezett kristályról.

Brian Skinner, az Ohiói Állami Egyetem fenti kutatásokban nem közreműködő fizikusa a Quanta magazinnak nagyra értékelte az eredményeket, mondván, a Wigner-kristály olyan régi koncepció, hogy óriási eredmény végre bizonyítékot szerezni róla.

Wigner Jenő (balról a második) 1963-ban Stockholmban, néhány nappal az után, hogy megkapta a Nobel-díjat. (Gimnáziumi osztálytársával., Tolnai Gáborral, családjaik körében.)Fotó: Wikimedia Commons

Elektronpocsolya és félvezetőszendvics

Az ember azt hinné, hogy a Wigner-kristály létrehozásához egyszerűen csak le kell hűteni az elektronokat. Az elektronok taszítják egymást, a hűtés azonban lecsökkentené az energiájukat, és egyszerűen rácsba rendezné őket, mint ahogy a víz megfagy. Ám az elektronok ilyenkor különös kvantummechanikai törvényeknek vetik alá magukat, és hullámként kezdenek viselkedni: ahelyett, hogy egy szép rendezett rácsszerkezetben rögzülne a pozíciójuk, a hullámtermészetű elektronok lötybölődni kezdenek, és nekimennek a szomszédaiknak. Aminek kristálynak kellene lennie, az valami olyasmivé alakul, mint egy elektronpocsolya.

Az egyik publikáló csapat szinte véletlenül bukkant rá a Wigner-kristályra. A Harvard Egyetem Hongkun Park kémikus és fizikus vezette kutatócsoportja éppen az elektronok viselkedését igyekezett megfigyelni olyan szendvicsszerű szerkezetben, amelyben elképesztően vékony félvezetőrétegeket választott ketté az elektronok számára áthatolhatatlan közeg. A kutatók -230 Celsius-fokra hűtötték a félvezetőszendvicset, és az elektronok számát módosítgatták a két rétegben.

Ezáltal megfigyelhették, hogy ha bizonyos számú elektron van a két rétegben, azok meglepően mozdulatlanná válnak. „Valamiért az elektronok nem tudtak jönni-menni a félvezetőkben, ami igazán meglepő felfedezés volt” – fogalmazott You Zhou, a kutatás vezetője, a Marylandi Egyetem anyagtudománnyal foglalkozó mérnök adjunktusa.

Zhou megosztotta felfedezésüket elméleti kollégáival, akiknek beugrott Wigner Jenő 1934-es teóriája. Wigner annak idején úgy kalkulált, hogy egy lapos, kétdimenziós anyagban az elektronok olyasmi szerkezetbe rendeződnének, mint a háromszögű csempék által fedett padló. Ez a kristályszerkezet pedig teljes egészében megakadályozza az elektronokat a mozgásban.

Megfelelő elektronarány teszi a rácsot

Zhouék kristályában az elektronok közötti taszító erők mindkét félvezetőrétegben és az elválasztó rétegben is a Wigner-féle háromszögű rácsba rendezték az elektronokat. Ráadásul ezek az erők elég erősek voltak ahhoz, hogy megakadályozzák az elektronok szökését és lökdösődését, ami a kvantummechanika törvényeiből következett volna. 

Az elektronok azonban csak akkor viselkedtek így, ha a számuk a rétegekben úgy alakult, hogy a felső és az alsó kristályrács illeszkedjen: a kisebb háromszögeknek az egyik rétegben pontosan ki kell tölteniük a másik réteg nagyobb háromszögeiben lévő teret. (Szóval nem pont úgy, mint a címlapképünkön, ami a tokiói Dóm sportcsarnok előtti térkövet ábrázolja.)

Fotó: Flickr / Gary A.K.

A két réteg elektronszámai közötti arányt, amely a fenti helyzet előállásának feltétele volt, Park „a kétrétegű Wigner-kristály árulkodó jelének” nevezte.

Amint a kutatók rájöttek, hogy Wigner-kristályt készítettek, rögtön meg is olvasztották azáltal, hogy arra késztették az elektronokat, hogy vessék alá magukat saját kvantum-hullámtermészetüknek. A Wigner-kristály olvadása egy kvantum-fázisátalakulás, hasonló ahhoz, amikor a jégkocka vízzé válik, csak melegítés nélkül.

Az elméleti fizikusok korábban már megjósolták, hogy milyen feltételek szükségeltetnek ehhez a folyamathoz, az új kísérlet pedig elsőként erősítette meg az elméletet közvetlen mérések által. Park szerint elképesztően izgalmas volt végre kísérleti adatokban viszontlátni azt, amit eddig csak tankönyvekből és tanulmányokból tudtak.

Újszerű kísérleti módszer

A korábbi kísérletek inkább csak nyomait mutatták a Wigner-kristályosodásnak, az új tanulmányok viszont a legközvetlenebb bizonyítékot kínálják – ez pedig egy újszerű kísérleti technikának köszönhető. A félvezetőrétegeket a tudósok lézerfénnyel bombázták, hogy egy részecskeszerű entitást, úgynevezett excitont hozzanak létre. Az anyag ezáltal visszatükrözi, vagy újra kibocsátja azt a fényt. A fény elemzésével a kutatók el tudják dönteni, hogy az excitonok a rendszerint szabadon áramló elektronokkal, vagy a Wigner-kristályba rendeződött elektronokkal léptek-e kapcsolatba. „Így tehát valóban közvetlen bizonyítékot szereztünk a Wigner-kristály létrejöttéről, és tényleg láthatóvá vált a kristály háromszögű szerkezete” – mondta Park.

A második kutatócsoport – Atac Imamoglu, a zürichi Svájci Szövetségi Műszaki Intézet fizikusprofesszorának vezetésével – ugyanezzel az eljárással figyelte meg a Wigner-kristály kialakulását. 

Az új munka rávilágít egy jellegzetes kutatási problémára, ami a sok, interakcióban lévő elektron megfigyelésében adódik: ha egyszerre sok elektront kényszerítenek kis térbe, annyit lökdösik egymást, hogy lehetetlenné válik az összes kölcsönös erőhatás nyomon követése. 

Philip Phillips, az Illinois-i Egyetem elméleti fizikusa az ilyen rendszerek archetípusának tartja a Wigner-kristályt. A fenti tanulmányokban nem közreműködő kutató szerint az elektronokkal és elektromos erővel kapcsolatos elméleti problémák közül a fizikusok csak azokat tudják papírral és ceruzával megoldani, amikben csak az egyetlen elektronnal rendelkező hidrogénatomról van szó. Ha akár egy elektronnal is több van porondon, már nem lehet előrejelezni, hogyan fognak viselkedni az egymással kapcsolatban lévő részecskék. Így aztán a sok interakcióban álló elektronnal kapcsolatos problémák már régóta a fizika legnehezebben megválaszolható kérdései közé tartoznak.

A harvardi kutatócsoport arra készül, hogy a kísérleti rendszerrel több kérdést megválaszoljon a Wigner-kristályokról és általában az egymással erős korrelációban lévő elektronokról. Az egyik, egyelőre nyitott kérdés, hogy mi történik pontosan a Wigner-kristály olvadásakor. A csapat ugyanis a félvezetőszendvicsben Wigner-kristályokat figyelt meg az elméleti szakemberek által megjósoltnál magasabb hőmérsékleten és nagyobb számú elektron esetén is. Ha ennek okát kiderítik, az új megfigyelésekre ad lehetőséget a szoros összefüggésben lévő elektronok viselkedéséről.

Mindkét tanulmányban közreműködött Eugene Demler, a Harvard elméletifizikus-professzora. Szerinte ez a munka nyugvópontra viszi a régóta húzódó elméleti vitákat, és új kérdéseket is szül. „Mindig sokkal könnyebb megfejteni egy nagy kérdést, ha a könyv végén meg lehet nézni a megfejtést. Ha ilyen extra kísérletek állnak rendelkezésre, az olyan, mintha megnézhetnénk a megfejtést.”

Járvány, klímaváltozás, forradalmak – mindez csak három dermesztő arca annak a felbolydult világnak, ami ránk vár. Lesz még neki jó pár. Ha teheted, segítsd a munkánkat, mi megháláljuk a bizalmadat, és ebben a nagy zavarodottságban hitelesen, alaposan és közérthetően magyarázzuk el, hogy a legégetőbb kérdésekre milyen válaszokat adnak a sárgolyó legnagyobb elméi. Maradj velünk. Támogatom a Qubit szerkesztőségét!

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: