Исследователи использовали свет, чтобы выявить коллективное движение электронов, образующих кристалл Вигнера. Фото: Энрике Саагун, Scixel / Базельский университет, физический факультет

Оптические измерения позволяют выявить скрытое коллективное движение и квантовую динамику электронов внутри кристалла Вигнера.

В вигнеровском кристалле электроны ведут себя необычным образом. Вместо того чтобы двигаться независимо друг от друга, сильно взаимодействующие электроны, ограниченные двумерной плоскостью, могут образовывать повторяющуюся кристаллическую решетку, подобную той, что образуют атомы в обычном кристалле. Исследователи из Базельского университета и Мюнхенского технического университета нашли способ использовать свет для изучения коллективного движения, скрытого в этом хрупком квантовом состоянии.

В отличие от обычного кристалла, упорядоченность вигнеровского кристалла не обусловлена структурой окружающего материала. Вместо этого она возникает в результате взаимодействия самих электронов. Это свойство сделало данное состояние материи важным объектом исследований на протяжении десятилетий.

Кристаллы Вигнера уже наблюдались в нескольких физических системах, но понять, что происходит внутри них, оказалось гораздо сложнее. В частности, исследователям было трудно измерить, как коллективно движутся, взаимодействуют и реагируют на внешние воздействия их электроны.

Свет выявляет скрытое движение электронов

Чтобы исследовать эту динамику, экспериментаторы под руководством профессора Томаша Смоленского из Базельского университета изучили один атомный слой диселенида вольфрама, охлажденный до температуры всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Пропуская свет через материал и анализируя отраженные лучи, они выявили ранее неизвестные оптические особенности, связанные с коллективным поведением электронов в кристалле Вигнера. Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.

Сигналы возникают в результате взаимодействия упорядоченных электронов и экситонов — возбуждений, возникающих в материале под воздействием света. Вместе они образуют гибридные квазичастицы, известные как вигнеровы кристаллические поляроны, которые представляют собой высокочувствительный оптический зонд для изучения кристалла и его коллективной динамики.

«Наши измерения показывают, что свет может не просто обнаружить наличие этого экзотического состояния, но и раскрыть его внутреннюю природу», — говорит первый автор исследования доктор Луцзюнь Ван из Базельского университета, который проводил эксперименты вместе с Фердинандом Менцелем, аспирантом из группы Смоленского.

«Это дает нам новый мощный инструмент для изучения коллективных возбуждений электронных кристаллов, доступ к которым в противном случае был бы крайне затруднен», — добавляет Смоленский.

Измерения также показали, что на эти оптические характеристики влияет сила взаимодействия между электронами. Благодаря этой связи сигналы можно использовать для изучения сильно коррелированных систем, в которых взаимодействие множества частиц коллективно определяет свойства материала.

Оптические сигналы раскрывают квантовую динамику

Чтобы понять суть наблюдений, теоретики под руководством профессора Михаэля Кнапа из Мюнхенского технического университета (МТУ) разработали теоретическую модель, описывающую формирование вигнеровских кристаллических поляронов, когда оптически генерируемые экситоны взаимодействуют с коллективным движением электронов в кристалле.

«Особенно интересно то, что эти сигналы несут информацию не только о расположении электронов, но и об их квантовой динамике, — объясняет Фабиан Пихлер, аспирант Технического университета Мюнхена. — Это позволяет нам напрямую связать экспериментальные наблюдения с лежащей в их основе физикой многих тел».

Полученные результаты показывают, что атомарно тонкие материалы могут стать платформой для наблюдения за коллективным движением электронов в упорядоченных квантовых состояниях. Благодаря тому, что эта внутренняя динамика становится доступной для изучения с помощью света, этот подход может помочь исследователям изучить фундаментальное поведение сильно коррелированных сред.