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ERSTMALS WIGNERKRISTALLE ABGEBILDET


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Spektrum der Wissenschaft - epaper ⋅ Ausgabe 12/2021 vom 13.11.2021

PHYSIK

Wenn die Bedingungen stimmen, ordnen sich Elektronen in einem Material zu einem regelmäßigen Wabenmuster an. Physikerinnen und Physiker haben solche »Wignerkristalle« nun direkt abgebildet. Benannt sind die Strukturen nach dem in Ungarn geborenen Theoretiker Eugene Wigner, der sie vor rund 90 Jahren beschrieb.

Schon lange ist es möglich, Wignerkristalle zu erzeugen und ihre Eigenschaften zu messen. Doch einen Schnappschuss von ihnen zu machen, ist erst jetzt geglückt. Ein Team um Feng Wang von der University of California, Berkeley, hat die Gebilde hergestellt, indem es atomdünne Schichten aus zwei ähnlichen Halbleitern schuf: Wolframdisulfid und Wolframdiselenid. Die Forscher nutzten ein elektrisches Feld, um die Dichte der Elektronen zu regulieren, die sich an der Grenzfläche zwischen den beiden Stoffen frei bewegen.

In gewöhnlichen Materialien sausen die Elektronen zu schnell umher, um von der gegenseitig abstoßenden Wirkung ihrer Ladungen wesentlich beeinflusst zu werden. Wigner sagte jedoch voraus, die Abstoßung würde dominieren, sobald sich die Elektronen hinreichend langsam bewegen. Die geladenen Teilchen, postulierte er, würden sich dann so anordnen, dass ihre Gesamtenergie auf ein Minimum sinkt – etwa in einem Bienenwabenmuster. Wang und seine Kollegen verlangsamten die Elektronen deshalb, indem sie die Halbleiterschichten auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt kühlten.

Nun sind die Abstände zwischen den Atomen bei Wolframdisulfid etwas anders als bei Wolframdiselenid, weshalb ihre Einwirkung aufeinander einen wabenförmigen Moiré-Effekt erzeugt – ähnlich dem, der sich zeigt, wenn man zwei Gitter übereinanderlegt. Innerhalb dieses sich wiederholenden Musters gibt es Bereiche mit niedrigerer und solche mit höherer Energie. Die Elektronen halten sich bevorzugt in den Energiemulden auf: Ein Wignerkristall entsteht.

Das Team um Wang nutzte ein Rastertunnelmikroskop, um die Struktur abzubilden. Bei dem Gerät schwebt eine Metallspitze über der Probe, und das Anlegen einer Spannung erzeugt einen elektrischen Strom zwischen ihnen. Während sich die Spitze über die Oberfläche bewegt, zeigt die wechselnde Intensität des Stroms an, wo in der Probe die Elektronen sitzen.

Anfängliche Versuche, den Wignerkristall direkt abzubilden, scheiterten, weil der Strom die fragile Struktur zerstörte. Daher fügte das Team eine Schicht Graphen hinzu – eine einatomige Kohlenstofflage. Die Existenz des Wignerkristalls veränderte die Elektronenstruktur des darüber liegenden Graphens geringfügig, was sich mit dem Rastertunnelmikroskop auslesen ließ. Auf den resultierenden Bildern ist die wabenförmige Anordnung deutlich zu sehen. Wie auf Grund theoretischer Überlegungen erwartet, sind Wigner-Elektronen fast 100-mal weiter voneinander entfernt als die Atome in den eigentlichen Kristallen des Halbleitermaterials.

Nature 10.1038/s41586-021-03874-9, 2021

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Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 12/2021

WABENSTRUKTUR Dieses rastertunnelmikroskopische Bild eines Graphenblatts lässt den darunter liegenden Wignerkristall erkennen.

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