Elképesztő felvétel: először látható a Wigner Jenő által 90 éve megjósolt bizarr fizikai csoda

Wigner Jenő, világhírű magyar fizikus az 1930-as években már ez Egyesült Államokban, a Princeton Egyetem tanáraként foglalkozott atommagkutatással, és ebben az időszakban írta le, hogy elméletileg létezhetnek pusztán elektronokból álló kristályok. Wigner arra jött rá, hogy bizonyos körülmények között, nagyon alacsony hőmérsékleten a fémekben lévő kis sűrűségű elektronfelhő szilárd rácsba rendeződhet.

Elméletét 1934-ben és 1938-ban megjelent tanulmányaiban fejtette ki, amellett érvelve, hogy alacsony sűrűség mellett a negatív töltésű szubatomi részecskék helyzeti energiája lesz a domináns a mozgási energia helyett, így a részecskék térbeli elrendeződése fontos tényezővé válik. Míg szobahőmérsékleten az elektronok szabadon áramolnak, mert mozgási energiájuk legyőzi azt az erőt, amely az azonos elektromos töltésű részecskéket taszítja, nagyon alacsony hőmérsékleten a taszító elektromos erők győzedelmeskednek, és az elektronok végül szabályos rácsba rendeződnek.

Wigner elmélete szerint ebben a különleges energiaállapotban az elektronok térben testközéppontos kockarácsba, síkban háromszöges rácsba, vagy ha erre csak egy dimenzióban van hely, akkor egymástól egyenletes távolságot tartva egy vonalba rendeződnek.

A Wigner-kristályok elmélete évtizedek óta foglalkoztatja a fizikusokat, Wigner tanulmányait több ezerszer hivatkozták meg az elmúlt 90 évben, és rengeteg közvetett bizonyítás született arra, hogy Wigner elmélete helytálló volt. A Wigner-kristályos állapotot azóta egyes kis sűrűségű, elektromosan nem vezető anyagoknál is megfigyelték, leírva azok speciális viselkedését. A legtöbb kristályos anyag esetében ugyanis a sűrűségcsökkenés a kristályrács felbomlásával jár együtt, míg a Wigner-kristályos fázisban ennek épp ellenkezője történik, a rendelkezésre álló teret kis sűrűségben kitöltő, töltéssel rendelkező részecskék rendezett rácsban szilárdulnak meg.

Egy, a Princeton Egyetem kutatói által vezetett fizikuscsapat friss tanulmányában arról számolt be, hogy nem csak sikerült wigner-kristályos állapotot létrehozniuk, de soha nem látott tisztaságú felvételt is tudtak készíteni a különleges elektronrácsról, írja a New Scientist.

Annak ellenére, hogy Wigner Jenő már 90 évvel ezelőtt megjósolta a kristályrácsos elektronfelhő lehetőségét, csak nemrég kezdték a fizikusok megérteni, hogyan lehet Wigner-kristályokat létrehozni laboratóriumi körülmények között. 

Korábbi kísérleteikben a kutatók a Wigner-kristályok létére már találtak bőven közvetett bizonyítékot: amikor a részecskeáram megszűnt, a kutatók arra következtethettek, hogy az elektronok zárt rácsba rendeződve szilárd, kristályos halmazállapotba kerültek. A Qubit 2021-ben számolt be a szenzációs eredményről, hogy két egymástól független fizikuscsoport is űttörő eredményeket ért el Wigner-kristályok létrehozása terén. Zaránd Gergely elméleti fizikus, aki öt évvel ezelőtt részt vett az akkori kísérletekben azt magyarázta a Qubitnak, hogy a Wigner-féle kvantumkristályban az elektronok egy helybe zárt hullámként viselkednek, szeretnének kiszabadulni, de a többi elektron falat képez köréjük. Olyanok, mint a metrón a zárt tömegben az ember, aki mozdulni sem tud a többiektől. „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” – magyarázta a magyar fizikus.

Lássuk a rácsot!

Az amerikai-japán kutatócsapat tagjai most kétdimenziós rács létrehozásával kísérleteztek: két vékony grafénlap belsejében lévő elektronokból készítették el Wigner-kristályaikat, amelyek mindegyike csak egy részecskényi vastagságú volt.

Az elektronok kinetikus energiájának csökkentése érdekében a grafént olyan hűtőszekrénybe helyezték, amiben az abszolút nulla foktól (−273.15 Celsius-foktól) csak pár századfokkal volt „melegebb”. Ráadásként még erős mágneses teret is kapcsoltak ehhez, hogy az elektronok szabad mozgását ezzel is korlátozzák.

Az, hogy a grafénlapok szinte tökéletesen hibátlanok voltak, kulcsfontosságú volt abból a szempontból, hogy nem akadályozta semmilyen tökéletlenség az elektronok mozgását – a grafénhibák ugyanis gócképző hatásuk miatt befolyásolták volna a kísérletek kimenetelét, a kutatók célja pedig az volt, hogy pusztán az elektronok egymással való kölcsönhatásuk miatt rendeződjenek rácsba, ahogyan azt Wigner megjósolta.

A Nature-ben 2024. április 10-én publikált tanulmány szerint most közvetlen bizonyíték is született a Wigner-kristályok létezésére: egy speciális mikroszkóppal képet készítettek a különleges elektronrácsról.

A mikroszkóp az alagúthatásnak nevezett kvantummechanikai jelenséget kihasználva pásztázta egy tűvel a grafén felületét, és amikor áthaladt egy elektron fölött, érzékelte a tűhegy és a grafén közti áramingadozást. Ezeknek az áramoknak köszönhetően a kutatók meg tudták figyelni, hogy hol és milyen sűrűn helyezkednek el az elektronok a grafénlapok közt, így az eddigi legpontosabb képeket készítették a Wigner-kristályról.

A kutatók képeiken a megszilárdult elektronfelhőt pont olyan ismétlődő háromszögekből álló rácsba dermedve látták, ahogyan azt Wigner megjósolta.

Ezenkívül azt is nyomon tudták követni, hogy miképp változott a kristály szerkezete a különböző paraméterek – hőmérséklet, mágnesestér-erősség és elektronszám – változtatására. A változó körülmények között a Wigner-kristályok különleges, összenyomhatatlan elektronfolyadékká „olvadtak”, de volt olyan állapot is, amiben az elektronok láncokat alkottak.

A kutatók a közeljövőben ezeket az olvadt állapotokat szeretnék tovább tanulmányozni. Némelyikük ugyanis részecskeszerű gerjesztésekkel van tele, amelyek olyanok, mint az elektronok, de azok töltésének csak töredékét hordozzák. Azt remélik, hogy kísérleteik során képesek lesznek majd „lefilmezni” ezeknek a gerjesztéseknek a kristályosodását is.

Az erre való törekvést támasztja alá Zaránd Gergely öt évvel ezelőtti, Qubitnek adott nyilatkozata is: „A kristály és a kvantumkristály között olyan óriási különbség nincs, a legfontosabb eltérés az utóbbi törékenysége. Fontosabb kérdés, hogy a kvantumkristály hogyan olvad meg” – mondta a Budapesti Műszaki Egyetem Fizikai Intézet igazgatója, az MTA-BME Lendület Egzotikus Kvantumfázisok Kutatócsoport vezetője. Zaránd akkor rámutatott, hogy a Wigner-kristályokkal kapcsolatos tudományos áttörések sok új kérdést vetnek 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? Miként rendeződik az elektronok mágneses momentuma, és pontosan milyen szerkezet jön létre a Wigner által megjósolt fázisátalakulás során?”

Nyitókép: Yen-Chen Tsui et al / Nature