Elektronen kreisen normalerweise um ihr Atom. Vor etwa 90 Jahren prognostizierte Eugene Wigner allerdings, dass diese kleinen Partikel auch unabhängig von Atomen eine feste Struktur, ähnlich einem Kristall, bilden können.
Seither haben viele Wissenschaftler versucht, diese Theorie zu beweisen, konnten sich jedoch nur annähern. Nun ist es Forschern der Princeton University gelungen, mithilfe eines Rastertunnelmikroskops ein Bild eines solchen Wigner-Kristalls aufzunehmen und damit seine Existenz zu bestätigen.
Wigner-Kristall ist die faszinierendste Quantenphase
"Die Möglichkeit, diesen Kristall zu visualisieren, eröffnet uns nicht nur Einblicke in seine Entstehung und bestätigt viele seiner Eigenschaften, sondern ermöglicht auch Untersuchungen, die vorher nicht möglich waren", erklärte Ali Yazdani, Professor an der Princeton University und leitender Autor der Studie.
Um einen solchen Kristall aus Elektronen zu formen, müssen spezielle Bedingungen herrschen: Es muss sehr kalt sein und die Elektronen müssen eine geringe Dichte aufweisen. Wigner vermutete, dass diese Quantenphase der Elektronen aufgrund der gegenseitigen Abstoßung der Teilchen entsteht.
So sah das Experiment aus
Um den Wigner-Kristall zu erzeugen, platzierten die Forscher Elektronen zwischen zwei Grapheneschichten, die sorgfältig von Materialfehlern gereinigt wurden. Anschließend kühlten sie die Proben auf bis zu 210 Millikelvin ab und legten ein Magnetfeld von bis zu 13,95 Tesla an.
Diese Bedingungen beschränken die Bewegung der Elektronen, was deren Kristallisation wahrscheinlicher macht. Die entstandenen Kristalle blieben länger stabil als von den Forschern erwartet, brachen jedoch bei zu hoher Dichte zusammen. Die Studie wurde im Journal Nature veröffentlicht.