Den första bekräftelsen av Wigner-kristallen i grafen banar vägen för nya kvantberäkningar

På 1930-talet förutsåg nobelprisvinnaren Eugen Wigner upptäckten av Wigner-kristallen. Forskare vid Aalto-universitetet har nu för första gången lyckats observera en Wigner-kristall i grafen med hjälp av ett antal olika mättekniker. Forskningen utförs med fritt svävande grafen, då en film med en tjocklek på ett atomlager endast stöds av sina kanter.

En Wigner-kristall är en ordnad fas skapad av den repellerande elektriska interaktionen mellan elektroner. I låga temperaturer och starka magnetfält kan elektroner från en tvådimensionell, gles elektrongas fixeras och forma solida kristalliter eller till och med ett gitter.

Formandet av en Wigner-kristall i grafen möjliggör en ny plattform för att studera system av korrelerade elektroner. En av de möjliga applikationerna för detta är kvantberäkningar. Under rätt förutsättningar kan fritt svävande grafen möjliggöra flätning - överföringen av partiklar från en plats till en annan och runt varandra - på ett liknande sätt som forskare på Microsoft planerar att använda majoranapartiklar. 

“Slutresultatet av flätningen beror på hur överföringarna görs. Flätningen av partiklarna som kallas anjoner, som stannar kvar i mellanrummet mellan bosoner och fermioner, skapar en fasförskjutning i den kvantmekaniska vågfunktionen, och denna egenskap kan användas i kvantberäkningar”, förklarar den postdoktorala forskaren Antti Laitinen.
 

Fritt svävande grafen kan också användas för ultrakänsliga gasdetektorer, men integreringen av sådan apparatur är begränsad av den speciella processen som krävs och svårigheterna med fritt svävande grafen. Den starka elektron-elektron-interaktionen gör fritt svävande grafen till en attraktiv plattform för forskning på förändringar i tvådimensionella korrelerade konfigurationer och upptäckten av framväxande partiklar som formar nya, ordnade faser.

Starka interaktioner mellan elektroner

Utrustningen för svävande grafen som används i experimentella studier vid Aalto-universitetet använder Corbino-geometri, där däckformade grafenskivor med en tjocklek på ett atomlager stöds av sina inre och yttre kanter med hjälp av metallelektroder. Grafenet är fritt svävande mellan kanterna. Denna geometri möjliggör studiet av grafenets ström och spänning i starka magnetfält utan att kanterna påverkar ledningsförmågan.

Tidigare har det bara varit möjligt att studera Wigner-kristallen med hjälp av halvledarutrustning baserad på galliumarsenid, där en platt, tvådimensionell elektrongas tillverkas genom att lägga atomer i exakta lager. Grafen å andra sidan, är naturligt skrynklig och oordnad - stabilitet uppnås i studierna genom att grafenet fixeras i kanterna. Forskningen avslöjade starkare interaktioner mellan elektronerna än vad som tidigare upptäckts.

“Temperaturen för ordnandet av Wigner-kristallen är runt en kelvin, vilket är avsevärt högre än för normala halvledarbaserade Wigner-kristaller. Interaktionen är starkare i systemet eftersom det inte har något substratmaterial som kan försvaga interaktionerna mellan elektronerna”, förklarar Aalto-universitetets professor Pertti Hakonen.

Försvagandet av interaktionerna i halvledarutrustningen är en konsekvens av den positiva laddningen som ackumuleras i substratet, vilket attraherar elektroner. Denna effekt kan inte separeras från den direkta, repellerande elektron-elektron-interaktionen.

Mer information:

Artikel

Lågtemperaturlaboratoriet

Otaniemi research infrastructure for micro- and nanotechnologies (OtaNano)

Bild: Elektronmikroskopbild från Corbino-apparaturen: ett elektrongitter observeras, en tvådimensionell Wigner-kristall sammansatt av runt 20 kristallformer i grafenet som är grönmarkerat. Foto: Antti Laitinen.