Mágikus arányok jellemzik a Wigner Jenő által 1934-ben megálmodott kvantumkristályt

Támogasd a tudomány népszerűsítését, segítsd a munkánkat!

Egyszerre két kutatásban sikerült bizonyítékot találni nemrég arra a különös anyagra, amit 1934-ben álmodott meg Wigner Jenő Nobel-díjas magyar fizikus – adtuk hírül a múlt héten. A Wigner-kristály kizárólag elektronokból áll, amelyek szokatlan mozdulatlanságba merevednek egy kétdimenziós, háromszögű rácsban. 

A Nature-ben publikált friss kutatásokban újszerű kísérleti módszer tette lehetővé a szenzációs felfedezést. Az egyik kutatócsoportban a kísérleti fizikusok és kémikusok olyan szendvicsszerű szerkezetet hoztak létre, amelyben elképesztően vékony félvezetőrétegeket választott ketté az elektronok számára áthatolhatatlan, tehát szigetelő réteg. A kutatók -230 Celsius-fokra hűtötték a félvezetőszendvicset, és az elektronok számát módosítgatták a két rétegben. A félvezetőrétegeket lézerfénnyel bombázva úgynevezett excitonokat hoztak létre, majd a fény elemzéséből kikövetkeztették, hogy ezek a kvázirészecskék a rendszerint szabadon áramló elektronokkal, vagy a Wigner-kristályba rendeződött elektronokkal léptek-e kapcsolatba. Ha a két rétegben az elektronok aránya a megfelelően alakult, összeállt a Wigner-kristály.

Mint kiderült, a zömmel harvardi kutatók nevéhez fűződő kutatásnak magyar társszerzője is van Zaránd Gergely elméleti fizikus személyében. A BME Fizikai Intézet igazgatóját, az MTA-BME Lendület Egzotikus Kvantumfázisok Kutatócsoport vezetőjét arra kértük, hogy segítsen jobban megérteni a kutatás lényegét.

Bezárt hullám

„Ha egy elektron rácsba van kényszerítve, akkor is megőrzi a hullámtermészetét, csak nem halad, hanem olyanná válik, mint egy bezárt hullám. Ettől függetlenül ugyanaz a hullámegyenlet, a Schrödinger-egyenlet írja le az állapotát” – mondta Zaránd. A Wigner-kristályban az elektronok egy helybe zárt hullámok, szeretnének kimenni, de a többi elektron falat képez köréjük. Olyan, mintha a metróba zárt tömegben az ember mozdulni sem tudna a többiektől – azzal a nem elhanyagolható különbséggel, hogy a kvantumkristályban éppen akkor áll elő a mozdulatlanság, ha az elektronok sűrűsége drámai mértékben lecsökken.

A kristály és a kvantumkristály között olyan óriási különbség nincs (nem úgy, mint a klasszikus és a kvantumfolyadékok között), a legfontosabb eltérés az utóbbi törékenysége. Fontosabb kérdés, hogy a kvantumkristály hogyan olvad meg – mondta Zaránd, aki a kvantum-fázisátalakulások szakértőjeként vált társszerzővé a mostani kutatásban, és korábban is együtt dolgozott Eugene Demlerrel, a Harvard elméletifizikus-professzorával.

A 2021-es kísérletben kétféle olvasztási módszer merült fel: az egyik a hagyományos melegítés, amikor az elektronok egyre forróbbak lesznek, és szétrázzák azt a kristályos rendet, amibe alacsony hőmérsékleten kerültek. A másik, hogy összenyomják őket, növelve a sűrűséget, ilyenkor a kvantumfluktuációk olvasztják meg az anyagot. Ha úgy tetszik, „büntetést kell fizetnünk azért, hogy bezárjuk az elektronokat kis helyre. A Heisenberg-féle határozatlansági reláció miatt nagyon nagy mozgási energiával fizetünk ezért, és ez az energia megolvasztja a kristályt” – magyarázta Zaránd.

A 2021-es harvardi kutatásban két molibdén-szelenid réteg fogta közre a bór-nitrid szigetelő réteget, ezen alakult ki a Wigner-kristály. Nagyon fontos, hogy a kísérlethez  rendkívül tiszta, homogén anyagokat használtak. Az elektronkristály az anyag módfelett törékeny megjelenési formája, rendkívül hígnak kell lennie, így minden hiba és rendezetlenség szétrombolja a szép kristályos rendet – mondta a fizikus. Az anyagtechnológia nagyívű fejlődésére volt szükség, hogy ilyen kísérleteket el lehessen végezni. 

2019-ben nanocsővel bizonyították

Shahal Ilani Weizmann Intézet-beli csoportjával együttműködve Zaránd és társai, köztük Pascu Moca elméleti fizikus, a BME tudományos főmunkatársa és Legeza Örs, a Wigner Intézet tudományos tanácsadója már 2019-ben közvetlen bizonyítékot szereztek az egydimenziós Wigner-kristály létezéséről, a kutatás eredményeit a Science-ben publikálták. Akkor is egy ilyen rendkívül rendezett, tiszta struktúrában, egy felfüggesztett szén nanocsőben érték el, hogy az egymástól igen nagy, néhány száz nanométeres távolságra, láncra fűzött gyöngyként elhelyezkedő elektronok rácsba rendeződjenek, majd elsőként sikerült közvetlenül megfigyelniük az alacsony hőmérsékleten kialakuló kvantumkristály töltésmintázatát. (Erről a kutatásról bővebben az MTA közleményében lehet olvasni.)

Az amerikai kísérletben ugyancsak rendkívül híg elektrongázt hoztak létre – az erről beszámoló publikáció a Nature-ben „back to back” jelent meg egy svájci csoport eredményeivel. A két Nature-ben publikált kutatás hasonló optikai módszerrel szerzett bizonyítékot a Wigner-kristály létezéséről, a legfőbb különbség az volt, hogy az egyik kísérlet dupla, a másik szimpla félvezetőréteget vizsgált. Zaránd szerint az átmenetifém-dikalkogenidek (TMDC-k) anyagcsaládját több száz kutatócsoport vizsgálja jelenleg, és puszta véletlennek tekinthető, hogy ketten közülük egyszerre jutottak eredményre.

Zarándék két évvel ezelőtti munkája közvetlen bizonyítékkal szolgált a Wigner által megjósolt szerkezet létrejöttéről, míg a mostani eredmények közvetettek, a mérésekben nem látni magát a kristályszerkezetet. Annak, hogy a tavalyelőtti kísérletben láthatóvá vált a kvantumkristály, az volt az ára, hogy csak „egydimenziós Wigner-nyakláncot”, nem pedig kétdimenziós rácsszerkezetet vizsgáltak, amit könnyebb „letapogatni”. (És hogy miért tekinthető ez a kristály egydimenziósnak? Mert a nanocsöves kísérletben a lényeges mozgás egy dimenzióban történik, a rendszer úgy viselkedik, mintha egydimenziós lenne.) Az idei kísérletekben viszont kétdimenziós kristályt sikerült megfigyelni – mondta a magyar kutató.  

A mágikus arányok

A Nature-ben most publikált kísérletben a Wigner-kristály akkor állt elő, ha a két félvezetőrétegben az elektronok a megfelelő számban (úgynevezett mágikus arányban) helyezkedtek el. Ilyenkor mindkét félvezető rétegben létrejön egy kristályrács. A két rács „összekapaszkodik”, ha az elektronok 1:7, 1:1, 1:4 stb. arányszámban szerepelnek, a kutatók pedig anomáliát figyelnek meg a mérésekben.

Az egyik Nature-ben megjelent tanulmány szerzőinek konceptuális ábrája arról a kvantum-fázisátalakulásról, amikor a kvantumfolyadékból kétrétegű Wigner-kristály lesz. Minden golyó egy elektront jelképez.Illusztráció: Ella Maru Studio, Hongkun Park, You Zhou

A megfigyelt anomáliák mögött lévő szerkezeteket elméleti szimulációval lehet nagyon jól modellezni, ezért is fontos a most publikált kutatásokban az elméleti fizikusok szerepe. A nagyon bonyolult kvantumszámításokon alapuló részletes elméleti szimuláció nélkül nem lehet konklúzióra jutni csak a mérések alapján – ezért is lehet csak közvetett bizonyítékról beszélni az amerikai kísérlet esetében.

Ahhoz, hogy mindez elég meggyőző legyen, a kutatóknak mást is vizsgálniuk kell, például hogy hogyan olvad meg a kristály, és a kísérleteknek reprodukálniuk kell, ami a számításokban kijött, például hogy tényleg ott van-e az olvadáspont, ahol megjósolták – mondta Zaránd, a kvantum-fázisátalakulások szakértője. Az idei Nature-cikk első kéziratában például még nem szerepelt a mágikus arányok között az 1:3-nál jelentkező anomália, pedig az elméleti számítás szerint itt is látszania kellett volna a kristálynak. A kísérleti adatokban végül csak akkor jelentkezett a várt anomália, ha nagyon lehűtötték a mintát, és ez a mágikus arány végül csak a tanulmány függelékébe került bele. Az indirekt bizonyíték az elméleti számításokkal együtt azonban határozott bizonyságát adja a Wigner-kristály létrejöttének – mondta a fizikus.

Több a kérdés, mint a válasz

Zaránd szerint ezt a kvantumfázist korábban mindenféle trükkökkel valósítottak meg, ahogy a tanulmányokban is felidézik: mágneses térrel, vagy úgy, hogy a héliumatomok felületén helyeztek el elektronokat. A kétdimenziós kvantumkristályt azonban most először hozták létre, ami valóban áttörés, igaz, egyelőre több az elméletben a kérdőjel, mint a válasz. 

A 2021-es kvantumkristályos kutatásokat a Quanta magazinnak nyilatkozó fizikusok azért is tartották jelentősnek, mert a nagyobb számú, egymással erős korrelációban lévő elektronokkal kapcsolatos problémák a fizika legnehezebben megválaszolható kérdései közé tartoznak, a Wigner-kristályról szóló mostani kísérletek pedig közelebb visznek a válaszokhoz.

Zaránd szerint a mostani áttörés sok új kérdést vet föl. Nem világos, hogy pontosan mi történik, amikor az anyag egyre hígabb és hígabb lesz, és létrejön a kristály. Az elektronoknak spinjük is van, ebből mágnesesség fakad, de milyen típusú mágnesesség jön létre a Wigner-kristályban? További kérdés, hogy miként rendeződik az elektronok mágneses momentuma, és pontosan milyen szerkezet jön létre a Wigner által megjósolt fázisátalakulás során.

A Qubit szerkesztősége azért dolgozik, hogy a magyar nyilvánosság hiteles, alapos és közérthető tudományos ismeretekhez jusson. Tesszük ezt politikamentesen, közszolgálati hevülettel, száznál több kutató és tudós bevonásával. Égető kérdések, dermesztő válságok és zavaros álhírek sűrűjében igyekszünk tartani a fáklyát immár havi bő hétszázezer olvasónknak. Cikkeink ingyen olvashatók, de nem ingyen készülnek. Segítsd a munkánkat!

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: