Wigner Jenő Nobel-díjas fizikus közel nyolcvan éve jósolta meg, hogy az elektronok képesek szabályos kvantumkristályt alkotni, ha a közöttük lévő Coulomb-kölcsönhatás elegendően erős. Az MTA-BME Lendület Egzotikus Kvantumfázisok Kutatócsoport, az MTA Wigner FK Lendület Erősen Korrelált Rendszerek Kutatócsoport kutatói az izraeli Weizmann Intézet csapatával közösen publikált cikkükben írták le a Wigner-kristály megfigyelését.
A felfedezés hátterében az áll, hogy a híg elektrongázokban megnő a Coulomb-kölcsönhatás szerepe – olvasható az Mta.hu-n –, ugyanis az elektronoknak hatalmas energiába kerül, ha két részecske egy helyen tartózkodik. Wigner Jenő erre felfigyelve azt jósolta, hogy ezt elkerülendő az elektronok abszolút nullafokos hőmérsékleten kristályba rendeződnek. Habár az elmúlt majd egy évszázadban óriási verseny folyt annak érdekében, hogy nagy tisztaságú anyagokban vagy azok felületén megvalósítható legyen az anyag e törékeny kvantummechanikai állapota, mind ez idáig csak a magas hőmérsékleten kialakuló úgynevezett klasszikus Wigner-kristály létezését tudták meggyőzően, kísérletileg bizonyítani. A mostani felfedezés az első, ahol közvetlenül sikerült megfigyelni az alacsony hőmérsékleten kialakuló kvantumkristály mintázatát.
Miért nem sikerült eddig az abszolút nulla fok közelébe jósolt elrendeződést igazolni? A lapunkat tájékoztató Zaránd Gergely, az MTA-BME Lendület Egzotikus Kvantumfázisok Kutatócsoport vezetője, a BME Fizikai Intézetének igazgatója szerint ahogy a hírben szerepel, a Wigner-kristály rendkívül „törékeny”. Korábban próbálkoztak például pásztázó alagútmikroszkóppal és atomierő-mikroszkóppal, de a pásztázáshoz használt tű egyszerűen szétrombolta a kristályt. Ez kicsit olyan, mintha páncélököllel lőnénk szalonkára. Az izraeli csoport ezért a lehető legfinomabban közelítette meg a kristályt, és egy különleges technikával egyetlen elektron töltését használta a kristály letapogatásához. Az is fontosnak bizonyult, hogy ez az elektron „puha volt”, azaz kvantummechanikailag „szétfolyt” az érzékelő nanocsőben.
Már egyetlen elektronnal is komoly nehézségekbe ütközik a vizsgálat: ha csak egyetlen elektront a kristály közelébe viszünk, az is el tudja mozdítani a kristályba rendeződött elektronokat, sőt ha túl közel visszük az elektronkristályhoz, vagy nem elég „puha”, akkor egyszerűen, mint egy kés, kettévágja. Ha viszont túl távol van, akkor már nem lehet érzékelni a hatását és letapogatni vele a töltésstruktúrát. Az elméleti munka egyik legfontosabb feladata az volt, hogy bebizonyítsa, az érzékelő nanocső abban a tartományban, ahol a mérések történtek, nem teszi tönkre a Wigner-kristályt.
A magyar származású Nobel-díjas fizikus jóslata beigazolódott
Fotó: MTI
Annak eldöntése, hogy a kialakult kvantummechanikai állapot milyen kölcsönhatások eredményeként jött létre, elméleti számítások és numerikus szimulációk elvégzését igényelte. A kísérleti eredmények értelmezéséhez szükséges kvantumelméleti számításokat a BME és az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatói végezték, a legmodernebb kvantumkémiai módszereket alkalmazva. – Az elvégzett számítások már önmagukban is nagy áttörést jelentenek a területen. Számos olyan új algoritmikus megoldást fejlesztettünk ki, melyek nélkül a számításokat nem lehetett volna elvégezni – mondta az Mta.hu-nak Legeza Örs, az MTA Wigner FK Lendület Erősen Korrelált Rendszerek Kutatócsoport vezetője, aki jelenleg Humboldt-díjasként több kutatási projektet is irányít Németországban. Az izraeliek és a magyarok többéves fejlesztő- és kutatómunkájának eredménye a mostani megfigyelés.
Lehet-e bármilyen gyakorlati vonatkozása a Wigner-jóslat igazolásának? A lapunknak nyilatkozó Zaránd Gergely szerint, hogy lesz-e a magának Wigner-kristálynak gyakorlati alkalmazása, nehezen dönthető el. Az sokkal valószínűbb, hogy – a nagy részecskefizikai kísérletekhez hasonlóan – a megfigyelésekhez fejlesztett technológiák valamilyen módon beépülnek más fejlesztésekbe, és így nyernek alkalmazást. A mérés nyilvánvalóan úttörő a szenzorika területén, de emellett a szén nanocsőbe zárt elektronok is egy izgalmas platformot kínálnak kvantumbitek vagy akár bitsorok megvalósítására, az elméleti módszerek pedig például kvantumkémiai programcsomagokba épülhetnek be.
Tehát az alapkutatásnak indult munka eredménye a tudomány több területén hasznosítható.
