Πρώτο κοντινό πορτρέτο ενός παράξενου κρυστάλλου από ηλεκτρόνια

Υπό κανονικές συνθήκες, τα ηλεκτρόνια είναι αεικίνητες οντότητες που τρέχουν με ιλιγγιώδη ταχύτητα γύρω από τους πυρήνες των ατόμων ή ρέουν μέσα σε καλώδια.

Σε κάποιες περιπτώσεις όμως είναι δυνατό να παγιδευτούν και να σχηματίσουν «κρυστάλλους Γουίγκνερ», μια δομή που οι φυσικοί μόλις κατάφεραν να απεικονίσουν με μικροσκόπιο. Και απέδειξαν έτσι οριστικά την ύπαρξή της.

Οι εικόνες επιβεβαιώνουν την πρόβλεψη του Γουίγκνερ ότι ο κρύσταλλος αποτελείται από επαναλαμβανόμενα τρίγωνα

Τα ηλεκτρόνια φέρουν αρνητικό φορτίο και ως ομώνυμα απωθούνται μεταξύ τους. Το 1934, όμως, ο ουγγρο-αμερικανός φυσικός Γιουτζίν Γουίγκνερ προέβλεψε ότι, σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, όταν τα ηλεκτρόνια χάνουν την κινητική τους ενέργεια, μπορούν να πλησιάσουν το ένα το άλλο σε μια ελάχιστη απόσταση, η οποία εξαρτάται από τις απωστικές δυνάμεις. Τα ηλεκτρόνια αναγκάζονται έτσι να διαταχθούν σε επαναλαμβανόμενα μοτίβα, δηλαδή σε κρύσταλλο.

Πέρασαν όμως δεκαετίες μέχρι να πετύχουν οι φυσικοί αυτή την τέλεια ευθυγράμμιση. Και ακόμα και τότε δεν μπορούσαν να δουν το αποτέλεσμα άμεσα -απλώς βεβαιώνονταν για τον σχηματισμό του κρυστάλλου από τον μηδενισμό της ροής ηλεκτρικού ρεύματος.

Στο μικροσκόπιο

Αυτή τη φορά, ερευνητές του Πανεπιστημίου του Πρίνστον είδαν το αποτέλεσμα με τα μάτια τους. Όπως αναφέρουν στο περιοδικό Nature, χρησιμοποίησαν ένα «μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας», το οποίο βασίζεται σε μια εξαιρετικά αιχμηρή μεταλλική ακίδα που σχεδόν αγγίζει το δείγμα.

Όταν η ακίδα βρεθεί πάνω από ένα ηλεκτρόνιο, η αλληλεπίδρασή τους παράγει ένα σήμα, κάτι που καθιστά εφικτή τη χαρτογράφηση ή «απεικόνιση» των σωματιδίων.

Το κόλπο που χρησιμοποίησαν οι ερευνητές ήταν να σχηματίσουν τους κρυστάλλους χρησιμοποιώντας ηλεκτρόνια από φύλλα γραφενίου. Τα φύλλα καταψύχθηκαν μερικά εκατοστά του του ενός βαθμού Κελσίου πάνω από το απόλυτο μηδέν και εκτέθηκαν σε ισχυρά μαγνητικά πεδία, οπότε τα ηλεκτρόνια αναγκάστηκαν να διαταχθούν σαν στρατιωτάκια.

Οι εικόνες επιβεβαιώνουν την πρόβλεψη του Γουίγκνερ ότι ο κρύσταλλος αποτελείται από επαναλαμβανόμενα τρίγωνα και αποκαλύπτουν πώς η δομή του επηρεάζεται από παραμέτρους όπως η θερμοκρασία και ο αριθμός των ηλεκτρονίων.

Και η νέα μέθοδος δεν σταματά εδώ: επόμενος στόχος της ομάδας είναι να απεικονίσει μια άλλη εξωτική μεταμόρφωση των ηλεκτρονίων, όταν ο κρύσταλλος «λιώνει» και μετατρέπεται σε ένα παράξενο ασυμπίεστο ρευστό.