Elektronen, de geladen deeltjes die door je stroomkabels zoeven, kunnen zich rangschikken in een kristalstructuur. Deze bijzondere structuur, genaamd Wigner-kristal, is nu voor het eerst in beeld gebracht.
De Hongaars-Amerikaanse natuurkundige Eugene Wigner voorspelde in 1934 een gek materiaal: een vaste stof die volledig bestaat uit elektronen. Onder de juiste omstandigheden – bij lage temperaturen en ingesloten in een ander materiaal – zouden elektronen zich kunnen rangschikken in een kristalstructuur en zo een vaste stof vormen.
Als je van een ‘gewoon’ materiaal – met atomen – een vaste stof wilt maken, dan is afkoelen vaak voldoende. Deeltjes gaan bij lage temperaturen steeds trager bewegen, tot ze ‘vastvriezen’ in een (kristal)structuur. Op die manier verandert water bijvoorbeeld in ijs.
Dat gaat echter niet op voor elektronen. Die gedragen zich ook bij lage temperaturen als door elkaar heen klotsende golven. In tegenstelling tot watermoleculen die zich netjes in een ijsstructuur rangschikken, vormen elektronen een koud, maar nog steeds rommelig plasje. Om een Wigner-kristal te maken, is het daarom nodig om de trage, koude elektronen op een of andere manier op te sluiten en ze zo te dwingen zich gezamelijk in een kristalstructuur te rangschikken.
Wigner-kristal-sandwich
Het is onderzoekers al vaker gelukt om Wigner-kristallen te maken, bijvoorbeeld in vloeibaar helium of met sterke magnetische velden. Maar deze kristallen waren nog nooit gefotografeerd, omdat ze fragiel zijn en uit elkaar vallen als je ze probeert vast te leggen. Dat het toch echt om Wigner-kristallen ging, werd bij deze eerdere experimenten op indirecte manieren aangetoond.
‘Het is alsof we allemaal op zoek zijn naar een monster en voorheen alleen voetafdrukken en haren vonden’, mailt Shaowei Li, van de University of California, Berkeley. ‘En nu laten we een foto zien.’
Om een Wigner-kristal te maken, combineerden de onderzoekers twee flinterdunne halfgeleiders: één van wolfraamdisulfide en één van wolfraamdiselenide. Met een elektrisch veld controleerden ze vervolgens hoeveel elektronen er vrij tussen de twee halfgeleiders konden bewegen. Deze elektronen vertraagden de onderzoekers door het systeem af te koelen tot bijna -270°C.
Dat de trage elektronen zich braaf in een kristalstructuur rangschikten, kwam door het kleine verschil tussen de bovenste en de onderste halfgeleider. Doordat de atoomroosters van deze twee halfgeleiders nét niet overlappen, ontstaat er een moirépatroon: een interferentiepatroon dat je ook ziet op een foto van een tv-scherm. Dit patroon dwingt de trage elektronen tussen de halfgeleiders om zich te rangschikken in een honingraatvormige structuur. Zo vormen ze een plat honingraatvormig Wigner-kristal.
Elektronen-kristal in beeld
De moeilijkste stap was om het Wigner-kristal in beeld te brengen. Hiervoor gebruikten de onderzoekers een zogeheten scanning tunneling-microscoop (STM), waarbij een metalen naald over het materiaal beweegt en via een klein elektrisch stroompje meet waar de elektronen zitten.
Bron: H. Li et al./Nature
In eerdere experimenten werkte de STM-techniek niet omdat het stroompje het fragiele Wigner-kristal deed ‘smelten’, vertelt Li. Om dit te voorkomen brachten de onderzoekers een beschermend laagje met grafeen aan. Het Wigner-kristal veroorzaakte een verandering van de elektronenstructuur in het grafeen, die vervolgens gemeten kon worden door de STM. Dat beeld toont overtuigend de honingraatstructuur van het Wigner-kristal.
‘Zien is geloven’, zegt Li. ‘We kunnen nu duidelijk de roosterstructuur van dit kristal zien en zien hoe de roosters variëren bij verschillende elektronendichtheid.’
Toepassingen zal het fragiele elektronenkristal voorlopig niet hebben. De STM-techniek wel. Daarmee kunnen ook andere fragiele materiaaltoestanden in beeld worden gebracht en zo beter worden begrepen.
