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Geschmolzener elektronischer Kristall

26.12.2016

Eine Gruppe von Physikern des MIT und Princeton bestätigte experimentell die Fähigkeit von Elektronen, einen Wigner-Kristall zu bilden – sich in räumlich geordneten Strukturen innerhalb eines Halbleiters anzuordnen – und beobachtete erstmals das Schmelzen eines Kristalls mit zunehmender Elektronendichte.

Ein Kristall ist in der Physik ein solches System, dessen Eigenenergie viel höher ist als die kinetische. Die Existenz solcher Systeme, die nicht aus Atomen oder Molekülen, sondern aus Elektronen bestehen, wurde 1934 vom Physiker Eugene Wigner vorhergesagt. 1974 wurde es in einem Experiment mit flüssigem Helium erhalten, aber die Art des Experiments erlaubte es nicht, das "Schmelzen" des Kristalls zu beobachten - den Übergang von Elektronen in einen weniger geordneten Zustand.

Um den Kristall herzustellen, nutzten die Wissenschaftler den Tunnelübergangseffekt, bei dem Teilchen die Barriere überwinden, wenn ihre Energie kleiner als die Höhe der Barriere ist. Indem sie Elektronen durch einen Halbleiter leiteten, schufen die Wissenschaftler eine zweidimensionale Struktur, die aus Elektronen mit bestimmten Energien besteht. Instrumente, die die Energie der Elektronen messen, zeigten einen Peak, der nach langem Studium als Hinweis darauf gewertet wurde, dass die Elektronen einen Kristall gebildet hatten und „gleichzeitig schwingen“. „Vibration“ ist hier natürlich nur eine Redewendung, die uns erlaubt, uns die Synchronisation von Teilchenenergien vorzustellen.

Dann erhöhten die Wissenschaftler die Dichte des Kristalls, und der Peak verschwand allmählich. So haben die Physiker bewiesen, dass der Kristall "geschmolzen" ist und in den Zustand der "elektronischen Flüssigkeit" übergeht.

Unter normalen Bedingungen stoßen sich Elektronen gegenseitig ab. Wigner schlug vor, dass bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt dieselben Coulomb-Kräfte, die normalerweise Teilchen mit derselben Ladung abstoßen, eine Art Gitter bilden, und die Elektronen, die sich an den Knoten dieses Gitters befinden, sich in einen Kristall verwandeln. Ein solcher Kristall leitet keinen elektrischen Strom in einer Substanz, die normalerweise als Leiter fungiert.

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