完全に電子で構成された結晶？ 90年前の予言が今回実現した

新たな異質な物質が再び量子力学の魔法を証明した。

著者：Yu Huai

原子は規則的に配置された格子を形成できます。あらゆる場所にある金属からチップ内部のシリコンまで、多くの固体物質は規則的に配列した原子（結晶）の産物です。さらに詳しく言えば、原子は正に帯電した原子核と負に帯電した電子で構成されています。では、電子の規則的な配列のみによって生成される結晶格子は存在するのでしょうか?

90年前、有名な物理学者ユージン・ウィグナーは電子結晶を理論的に予測しました。電子間の相互反発により電子は互いに離れる方向に動きますが、一定の電子密度があると電子は無限に離れることはできません。これらの相反する相互作用がバランスをとると、電子は相互作用によってもたらされるエネルギーを減らすために規則的な格子に自らを並べる傾向があります。そのため、この格子は「ウィグナー結晶」と名付けられています。

今日、この理論的予測はついに科学者によって直接観察されました。プリンストン大学の研究者らは、ウィグナー格子を初めて直接撮影した論文をネイチャー誌に発表した。

物理学者たちは長い間、ウィグナー結晶を実現しようと努めてきた。ウィグナー結晶を作るには通常、極度に低い温度と低い次元が必要です。これは、この 2 つの条件で電子間の相互作用がより顕著になるためです。最も初期の実験は、1970 年代のベル研究所での作業にまで遡ります。研究者らは液体ヘリウムの表面に電子を吹き付け、電子同士が離れ、格子を形成するようにした。しかし、そのような電子は独立した粒子に近いです。実際のウィグナー結晶では、すべての電子が一体となって波のように振る舞うはずです。

その後の数十年間、物理学者たちは一連の探査を行った。たとえば、半導体は電子の動きを 2 次元に制限するために使用され、磁場は電子を回転させて結晶の形成を助けるために使用されます。多くの研究によって、ウィグナー格子の存在の証拠が間接的に観察されています。しかし、ウィグナー格子を「写真に撮って」直接観察することはまだできていない。

このような原子レベルの構造を「撮影」するために、研究者たちは走査型トンネル顕微鏡 (STM) を選択しました。この顕微鏡の基本的な動作原理は、プローブとサンプル間の量子効果によって生成される極めて微弱な電流を検出し、スキャン後にサンプルの特性を表示することです。この方法により、原子サイズのスケールを鮮明に観察することができ、原子レベルの「写真撮影」が可能になります。

銅の表面上に円形に並んだ鉄原子。STM を使用して撮影。これは 1993 年 11 月号の Physics Today の表紙画像です。

撮影方法を決めた後は、サンプルの準備も大きな課題です。まず第一に、サンプルは極めて清潔で不純物が含まれていないことが必要です。ウィグナー結晶は電子のみで構成された結晶です。すべての電子は量子力学的に相互作用し、協調して動作します。不純物粒子が 1 つでも存在すると、電子を捕らえるトラップが形成され、相互作用が破壊される可能性があります。

プリンストン大学の研究者らは、積層された二層グラフェンをサンプルとして選択し、それを冷却した後、サンプルの方向に対して垂直な磁場をかけて二次元的に移動する電子ガスを生成した。これにより、電子密度の調整も容易になります。

大変な努力の末、驚くべき結果が得られました。科学者たちは走査型トンネル顕微鏡を使用して、電子だけでできたウィグナー結晶を初めて観察した。顕微鏡の超高解像度により、不純物が存在しないことが確認できます。格子を構成する電子は規則的に密集した三角形に配置されており、電子密度が調整されると三角形のサイズが変わります。これにより、格子は不純物の影響を受けるのではなく、電子の相互作用によって形成されることがさらに確認されました。

科学者たちはまた、格子内に規則的に配置されているはずのこれらの電子が、いくぶんぼやけていることも発見した。研究者らは、これは電子の「ゼロ点エネルギー」によるものだと説明している。ゼロ点エネルギーとは、量子力学で記述されるシステムの最低エネルギーであり、ハイゼンベルクの不確定性原理と関連している。このようなぼやけた電子画像は、捉えられたウィグナー結晶が量子力学的効果によって形成されたことを証明しています。

ウィグナー結晶は物質の新しい相です。物理学者の目標の 1 つは、量子の世界をより深く理解するために、これらの新しい相を継続的に探求し、実現して記録し、さまざまな相がどのように変化するかを理解することです。

参考文献

[1] 崔, YC., 何, M., 胡, Y. 他磁場誘起ウィグナー結晶の直接観察。ネイチャー628、287–292（2024）。 https://doi.org/10.1038/s41586-024-07212-7

制作：中国科学普及協会

特別なヒント

1. 「Fanpu」WeChatパブリックアカウントのメニューの下部にある「特集コラム」に移動して、さまざまなトピックに関する人気の科学記事シリーズを読んでください。

2. 「Fanpu」では月別に記事を検索する機能を提供しています。公式アカウントをフォローし、「1903」などの4桁の年+月を返信すると、2019年3月の記事インデックスなどが表示されます。

著作権に関する声明: 個人がこの記事を転送することは歓迎しますが、いかなる形式のメディアや組織も許可なくこの記事を転載または抜粋することは許可されていません。転載許可については、「Fanpu」WeChatパブリックアカウントの舞台裏までお問い合わせください。