Wigner晶体的量子熔化:创造一个研究量子相变的系统

量子融化

从电子液体到双层维格纳晶体的量子相变原理图。每个球代表一个电子。资料来源:艾拉·玛鲁工作室与鸿坤公园、周游合作

该研究标志着创造用于研究量子阶段转变的系统的重要步骤。

1934年,物理学家Eugene Wigner基于量子力学的理论预测,87岁未看过。

该理论提出了当电子密度降低时,通常导电的金属如何变成不导电的绝缘体。Wigner的理论是,当金属中的电子被带到超冷温度时,这些电子会在轨道上冻结,形成一个坚硬的、非导电结构——晶体——而不是以每秒数千公里的速度旋转并产生电流。自从他发现了这种晶体,这种结构就被称为维格纳晶体,并在1979年首次被观察到。

然而,依赖于物理学家仍然难以难以难以抵抗量子波动的晶体状态。至少,它是:现在,近90年后,由宏坤公园和艺术和科学学院的恒生公司合作的物理学家团队终于通过实验记录了这一转型。

该杂志发表的一项新研究描述了这项工作自然这标志着我们朝着创建一个研究量子级物质状态之间转换的系统迈出了一大步,量子级是该领域长期追求的目标。

“这是在部分量子材料转变为部分古典材料的边界,并且具有许多不寻常和有趣的现象和性质,”纸上的高级作者尤金德勒说。“晶体本身已经看到,但这种情况,原始过渡 - 当量子力学和古典相互作用彼此竞争时 - 尚未得到看到。它已经服用了86年。“

研究团队由公园和德勒领导,专注于观察Wigner Crystals及其在研究中的阶段转型。在化学yabovip2021,物理学和热力学中,当物质从固体,液体或气体变为不同状态时发生相变。当量子波动绝对零温度驱动这些转变时,它们称为量子相转变。这些量子过渡被认为在许多量子系统中发挥重要作用。

在Wigner晶体的情况下,晶体到液体的转变发生在电子之间的竞争中,在电子的古典和量子方面之间 - 前者在固相中主导,电子是“颗粒状”,并且后者在液体中占据主导地位,电子是“波浪类似”。对于单个电子,量子力学告诉我们,粒子和波动性是互补的。

“它醒目的是,在许多相互作用的电子系统中,这些不同的行为在物质的不同阶段中表现出来,”公园说。“由于这些原因,电子固液转变的性质具有巨大的理论和实验兴趣。”

哈佛科学家们报道了使用由您Zhou,Jiho Sung和Elise Brutschea的新型实验技术 - 来自Park Research Group的研究人员和纸上的引导作者 - 观察到原子薄半导体双层在原子上薄半导体双层的液体过渡。通常,Wigner结晶需要非常低的电子密度,使其实验实现成为一个主要的实验挑战。通过从两个原子薄半导体构造两个相互作用的电子层,实验主义者产生了一种在更高密度下稳定结晶的情况。

为了观察这种跃迁,研究人员使用了一种叫做激子光谱学的方法。他们利用光激发系统中的电子,并将其与电子空位(或空穴)结合,形成类氢电子空穴对,称为激子。这对电子与材料中的其他电子相互作用,改变了材料的性质,使它们可以在光学上被看到。

研究人员表示,这篇论文的发现很大程度上是偶然的,令人惊讶。Park团队最初的研究方向不同,当他们注意到材料中的电子表现出绝缘行为时,他们感到困惑。他们咨询了德姆勒实验室的理论家,很快意识到他们所掌握的。

研究人员计划用他们的新方法继续研究其他量子相变。

Demler说:“我们现在有了一个实验平台,可以测试所有这些(不同的量子相变)预测。”

参考:2021年6月30日,自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 021 - 03560 - w

资助:美国国防部、美国空军、美国空军科学研究办公室、美国能源部詹姆斯克拉克工程学院、国家科学基金会

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