Учёные впервые получили изображение кристалла Вигнера с атомарным разрешением

Электроны спонтанно переносятся с графитовой подложки на 4f-электронные плоские зоны монослоя YbCl₃ и образуют «тяжёлый» кристалл Вигнера, который визуализируется с помощью мультимодальных зондов. В то время как решётка Вигнера не видна в СТМ-изображениях из-за постоянного возмущения смещением, она проявляется в АСМ-изображении и соответствующем быстром преобразовании Фурье. Автор: Ван и др.

Исследователи из Фуданьского университета представили новый подход к изучению состояния кристалла Вигнера в сильно коррелированных двумерных системах. Им впервые удалось получить изображения этого состояния с разрешением меньше размера элементарной ячейки. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Кристалл Вигнера — это редкое состояние материи, в котором электроны, вместо свободного движения, выстраиваются в кристаллическую решётку под действием кулоновского отталкивания. До сих пор прямое наблюдение его внутренней структуры на атомном уровне было крайне сложной задачей.

Учёные создали материал из монослоя хлорида иттербия (YbCl₃), нанесённого на графит. Расчёты показали, что значительное количество электронов (около 0.21 e/нм²) перешло с графита на слой YbCl₃.

«Уникальность локализованных 4f-электронов предоставила нам чёткое окно для наблюдения. Это заставило нас задаться следующим захватывающим вопросом: как эти перенесённые, высокоплотные 4f-электроны — теперь образующие сильно коррелированную 2D-систему — организуются в реальном пространстве?» — пояснил соавтор работы Чжунцзе Ван.

Сильное кулоновское отталкивание в сочетании с ультраплоской зоной 4f-электронов естественным образом приводит систему в режим кристалла Вигнера. Для его визуализации исследователи использовали метод q-Plus АСМ, который минимизирует электростатические помехи.

«Особенно запоминающимся моментом был наш самый первый эксперимент с АСМ: по мере сканирования и появления новых строк изображения решётка кристалла Вигнера постепенно проступала, а измеренная плотность электронов идеально совпала с нашими теоретическими оценками», — поделился соавтор Лифэн Инь.

Наблюдаемая фаза кристалла Вигнера характеризуется рекордно высокой плотностью электронов (~10¹³ /см²) и исключительно высокой температурой плавления. Эти «тяжёлые электроны» в YbCl₃ имеют эффективную массу в сотни раз больше массы свободного электрона.

Новый подход, основанный на межфазном переносе заряда, предоставляет уникальную платформу для изучения многих квантовых явлений. В будущем команда планирует исследовать слой дырок в графите с помощью транспортных измерений и фотоэмиссионной спектроскопии, а также варьировать состав материала для настройки плотности перенесённого заряда и поиска новых квантовых состояний.