นักวิทยาศาสตร์จับภาพผลึกโมเลกุลอิเล็กตรอน
นักวิจัยที่ Berkeley Lab และ UC Berkeley ได้ถ่ายภาพผลึกโมเลกุลวิกเนอร์ (Wigner molecular crystal) โดยตรง ซึ่งเป็นเฟสควอนตัมใหม่ของของแข็งอิเล็กตรอน ผลึกโมเลกุลวินเนอร์ มีความสำคัญเนื่องจากอาจแสดงคุณสมบัติการขนส่งและสปินแบบใหม่ ซึ่งอาจเป็นประโยชน์สำหรับเทคโนโลยีควอนตัมในอนาคต เช่น การจำลองควอนตัม
โดยทั่วไปแล้วอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง โดยเคลื่อนผ่านสสารไปโดยไม่ถูกผูกมัด ในช่วงทศวรรษปี 1930 นักฟิสิกส์ ยูจีน วิกเนอร์ (Eugene Wigner) ทำนายว่า อิเล็กตรอนอาจถูกล่อให้นิ่งในความหนาแน่นต่ำและอุณหภูมิที่เย็นจัด จนเกิดเป็นน้ำแข็งอิเล็กตรอนที่ต่อมาเรียกว่า ผลึกวิกเนอร์ (Wigner crystal)
เก้าสิบปีต่อมา ในปี 2021 ทีมวิจัยที่นำโดย เฟิง หวัง และไมเคิล โครมี คณาจารย์อาวุโสด้านวิทยาศาสตร์วัสดุของ Berkeley Lab และศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์ของ UC Berkeley ได้ให้หลักฐานโดยตรงว่าผลึกอิเล็กตรอนเหล่านี้มีอยู่จริง นักวิทยาศาสตร์พยายามจับภาพผลึกโมเลกุลของ Wigner โดยตรง แต่ความก้าวหน้าของพวกเขาถูกขัดขวางโดยแนวโน้มของปลายกล้องจุลทรรศน์ลอดอุโมงค์แบบสแกน (Scanning tunneling microscope: STM) ที่จะทำลายโครงสร้างอิเล็กตรอนของวัสดุ
ในการศึกษาล่าสุดนี้ นักวิจัยจาก Berkeley Lab ได้เอาชนะอุปสรรคนี้โดยลดสนามไฟฟ้าจากปลาย STM ซึ่งเป็นความก้าวหน้าที่ทำให้พวกเขาสามารถมองเห็นโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์อันบอบบางของผลึกโมเลกุลของ Wigner ได้
ในระหว่างการทดลองที่ห้องปฏิบัติการของ Wang พวกเขาได้สร้างนาโนวัสดุที่เรียกว่า "ซูเปอร์แลตทิซมัวเร (moiré superlattice) ทังสเตนไดซัลไฟด์บิด (twisted tungsten disulfide: tWS2)" โดยการวางชั้นทังสเตนไดซัลไฟด์บิด (WS2) ที่บางในระดับอะตอมสองชั้นไว้ด้านบนของชั้น hBN (hexagonal boron nitride: โบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม) ที่มีความหนา 49 นาโนเมตรและประตูหลังกราไฟต์ ชั้น WS2 จะถูกวางซ้อนกันในมุมบิด 58 องศา
พวกเขาใช้เทคนิค STM พบว่า การเติมอิเล็กตรอนลงในซูเปอร์แลตทิซมัวเร tWS2 ทำให้แต่ละเซลล์ของวัสดุที่มีความกว้าง 10 นาโนเมตรเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนเพียงสองหรือสามตัว และในผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจ เซลล์ยูนิตที่เติมอิเล็กตรอนเหล่านี้ได้ก่อตัวเป็นโมเลกุลอิเล็กตรอนมัวเรทั่วทั้งซูเปอร์แลตทิซ ส่งผลให้ได้ผลึกโมเลกุลวิกเนอร์
“อุณหภูมิที่ต่ำพร้อมกับศักยภาพพลังงานที่สร้างขึ้นโดยซูเปอร์แลตทิซมัวเร tWS2 จำกัดอิเล็กตรอนไว้เฉพาะที่” หวังอธิบาย พร้อมเสริมว่า “ปฏิสัมพันธ์ระหว่างกลศาสตร์ควอนตัมและปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอน-อิเล็กตรอนผลักดันอิเล็กตรอนที่อยู่เฉพาะที่เข้าสู่สถานะของโมเลกุลวิกเนอร์”
ในการทดลองในอนาคต นักวิจัย หวัง (Wang) ครอมมี (Crommie) และทีมงานหวังว่า จะใช้เทคนิค STM ใหม่ของพวกเขาเพื่อให้เข้าใจเฟสควอนตัมใหม่นี้ดีขึ้น งานนี้ได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงาน เงินทุนเพิ่มเติมได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ
แปลและเรียบเรียงโดย
One To Many - A Brief Science
.
แหล่งอ้างอิง
[1] Scientists Capture Images of Electron Molecular Crystals
[2] Wigner molecular crystals from multielectron moiré artificial atoms
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
