Forskare har lyckats skapa elektronkristaller – 86 år efter Wigners förslag

År 1934 förutsåg fysikern Eugene Wigner upptäckten av ny typ av kristall, den kom att kallas Wigners kristall.

Vad är det för kristall? Wignerkristallen är en fast fas av elektroner som skapas i den elektriska interaktionen mellan elektronerna. Kort kan man säga att idén bygger på att om man lyckas hålla densiteten hos negativt laddade elektroner under en viss nivå – då kan de subatomära partiklarna hållas i ett upprepande mönster för att sedan skapa en kristall av elektroner.

Vad har hänt nu? Ja, den där hypotesen lade Wigner fram för 86 år sedan. Nu har en forskargrupp, ledd av Cornell University skapat ett sätt att stapla tvådimensionella halvledare, med en tjocklek av en atom, och på så sätt fånga och skapa elektronkristaller. Man använde också två volframmaterial som skapade ett mönster med sexkantiga delar.

För två år sedan lyckades finska forskare vi Aaltouniversitetet observera en Wagner-kristall i grafen, en studie som publicerades i Nature.

Hur bar sig forskarna åt? Forskargruppen upptäckte att man kan fånga en elektron på vissa platser i det där ”gallret". På dessa platser är de elektromagnetiska krafterna starkare än elektronens rörelse. För att skapa en kristall placerade forskarna försiktigt fler elektroner på dessa platser.

Professor Kin Fai Mak, från Cornell University, säger att elektroner är kvantmekaniska. Och menar att även om man inte gör något med dem, så far de runt hela tiden – därför är de svårfångade.

– En kristall av elektroner skulle faktiskt ha en tendens att smälta bara för att det är så svårt att hålla elektronerna fasta i ett periodiskt mönster, säger han i ett uttalande.

Några andra svårigheter? Att skapa kristallerna är svårt. Att undersöka dem – också svårt tydligen. För att lyckas med det skapade forskarna en optisk avkänningsteknik där sensorer placerades nära provet. Den avancerade strukturen gör att sensorerna håller sig cirka två nanometer från testet – och stör därmed inte elektronerna.

– Man behöver ett bra sätt att undersöka dem på. Man vill inte störa dem för mycket medan man undersöker dem, säger Mak. De är ömtåliga.

Den nya tekniken som forskarna tagit fram visar hur komplexa mönster kan uppnås från ”relativt enkla element” som elektroner.

Studien är publicerad i Nature.

Fick Nobelpriset 1963

Eugene Wigner fick ena hälften av Noblepriset i fysik 1963 för ”insatser inom teorin för atomkärnorna och elementarpartiklarna, särskilt genom upptäckten och tillämpningen av fundamentala symmetriprinciper”.

Han födddes i Budapest men flyttade på 30-talet till USA. Han var professor vid Princetonuniversitetet i USA. Under andra världskriget deltog han i Chicagouniversitetet arbete med att bygga de första kärnreaktorerna. Det var en del av Manhattanprojektet som ledde fram till atombomben.