Elektrony se za běžných podmínek v pevných látkách pohybují jako částice rozptýlené v materiálu. V mimořádně řídkém dvourozměrném elektronovém systému a při velmi nízké teplotě však může jejich vzájemné elektrostatické odpuzování převládnout nad pohybovou energií. Elektrony se pak samovolně uspořádají do pravidelné mřížky označované jako Wignerův krystal. Nejde o krystal tvořený atomy materiálu, ale o periodickou strukturu vytvořenou samotnými elektrony.
Skupina z University of Basel a Technical University of Munich nyní ukázala, že některé vlastnosti tohoto elektronového uspořádání lze sledovat pomocí světla. Podle studie zveřejněné v časopise Nature Physics měřili vědci odraz světla od elektricky laditelné jediné vrstvy diselenidu wolframu, tedy polovodiče WSe2. Vzorek ochladili až na 1,6 K a hustotu elektronů upravovali napětím na hradlech. Stejný typ hlavních pozorování zaznamenali ve dvou připravených součástkách.
Optická stopa pravidelné elektronové mřížky
Světlo v polovodiči může vytvořit exciton, vázaný stav elektronu a kladně nabité díry, tedy chybějícího elektronu v jinak zaplněném energetickém stavu. Exciton lze v tomto uspořádání využít jako citlivou sondu okolních elektronů. Jestliže elektrony vytvoří pravidelnou mřížku, mohou exciton rozptylovat podobně, jako krystalová mřížka rozptyluje vlnění. V odrazovém spektru se pak objeví takzvaná umklappova rezonance, jejíž poloha souvisí s rozestupy v elektronové mřížce.
Autoři takovou známou optickou stopu Wignerova krystalu ve vzorcích našli. Vedle ní ale rozlišili další dvě slabší rezonance. Objevovaly se ve stejném rozmezí teplot a elektronových hustot jako umklappův signál a mizely, když se uspořádaná elektronová fáze rozpadala. Při nízkých teplotách přetrvávaly do hustoty přibližně 7 × 1015 elektronů na m2. Se zvyšováním teploty se oblast, v níž byly signály patrné, zužovala; nad zhruba 30 K již autoři optické projevy Wignerova krystalu nepozorovali.
Nové rezonance vědci označují jako Wignerovy krystalové polarony. Polaron je kvazičástice, tedy užitečný popis stavu, v němž se částice pohybující se látkou váže na odezvu svého okolí. V tomto případě jde o exciton ovlivněný kolektivními excitacemi elektronového krystalu. Naměřené energetické posuny se neshodovaly s jednoduchým vysvětlením, podle něhož by šlo jen o opticky rozptýlené excitony nebo triony. Trion je vázaný stav excitonu s dalším elektronem či dírou.
Model spojuje spektrální čáry s kolektivními excitacemi
Teoretická část týmu vytvořila model, v němž se excitony vážou na elektronové excitace napříč energetickou mezerou vzniklou v uspořádaném Wignerově krystalu. Výpočet popsal, proč mají nové spektrální čáry jinou energetickou závislost než dříve známá umklappova rezonance a proč jejich intenzita roste se silou vazby mezi excitony a elektrony. Ze spekter autoři odhadli, že intenzita nových rezonancí dosahuje při nízké teplotě a nízké hustotě elektronů zhruba desetiny až pětiny intenzity odpovídajících přitažlivých excitonových polaronů.
Výzkumníci dále porovnávali odezvu systému v magnetickém poli a při osvětlení kruhově polarizovaným světlem. Změny intenzit spektrálních čar odpovídaly změně spinového a údolního uspořádání elektronů. Spin je kvantová vlastnost částic související s jejich magnetickým momentem; údolí zde označuje energetické minimum v elektronové struktuře materiálu. Experiment tak ukazuje, že Wignerovy krystalové polarony mohou nést informaci i o tomto vnitřním stavu elektronového krystalu.
Výsledek nepředstavuje přímé zobrazení jednotlivých elektronů ani důkaz, že by se stejný postup bez úprav uplatnil v jiných materiálech. Interpretace nových rezonancí také stojí na teoretickém modelu, který elektronový krystal popisuje aproximací středního pole. Práce nicméně rozšiřuje optickou spektroskopii: vedle informace o statickém uspořádání elektronů nabízí cestu ke zkoumání jejich kolektivních kvantových excitací v atomárně tenkých polovodičích.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.