Lorsque les électrons qui se repoussent sont confinés dans un petit espace, ils peuvent former un état cristallin ordonné connu sous le nom de cristal de Wigner. Observer le cristal fragile est délicat, car il nécessite des conditions extrêmes, notamment des températures et des densités basses, ainsi que des sondes d'imagerie non invasives. Pour surmonter les conditions difficiles de l'imagerie, I. Shapir et une équipe de recherche dans les départements de physique et de physique de la matière condensée en Israël, La Roumanie et la Hongrie ont créé des conditions dans un nanotube de carbone (NT) pour abriter les électrons. Ils ont suivi cette étape expérimentale en utilisant un deuxième nanotube comme sonde (appelé « sonde NT ») pour balayer le premier nanotube (appelé « système NT »). Les physiciens ont mesuré les densités électroniques et ont montré leur cohérence avec les prédictions théoriques pour démontrer de petits cristaux de Wigner pouvant contenir jusqu'à six électrons dans une dimension (1-D). Les résultats sont maintenant publiés dans Science .

Il y a plus de 80 ans, le physicien Eugene Wigner a prédit le cristal quantique des électrons, qui reste l'un des états les plus insaisissables de la matière. Dans le travail present, Shapir et ses collaborateurs ont développé une technique pour imager directement le cristal de Wigner en 1D en imageant sa densité de charge dans l'espace réel. Ils ont obtenu des images de quelques électrons confinés en 1D qui correspondaient aux prédictions théoriques pour des cristaux à interaction forte. Les scientifiques ont observé la nature quantique du cristal en utilisant un tunnel collectif à travers une barrière de potentiel électrique confinée avec des portes électriquement indépendantes. Les travaux ont fourni des preuves directes de la formation de petits cristaux de Wigner, ouvrant la voie à l'étude des états d'interaction fragiles des électrons en imageant leur densité à N corps dans l'espace réel.

Dans son article de 1934, Le physicien Eugene Wigner a prédit que lorsque les interactions coulombiennes à longue distance dans un système d'électrons dominaient l'énergie cinétique et le désordre, ils émergeraient dans un état fondamental cristallin. Où les électrons étaient séparés quel que soit leur nombre quantique. Les physiciens expérimentateurs ont ensuite commencé à rechercher ce cristal quantique dans les systèmes électroniques les plus propres disponibles, y compris l'hélium liquide et les hétérostructures semi-conductrices de faible dimension.

Les physiciens avaient déjà effectué des mesures dans des systèmes électroniques bidimensionnels (2D) relatifs au transport, champs de micro-ondes, résonance magnétique nucléaire, optique, tunnels et systèmes d'électrons bicouches pour indiquer l'existence d'un cristal à des champs magnétiques élevés. Observer un état cristallin en une dimension (1-D), dans un système infini est inattendu, puisque les fluctuations thermiques et quantiques peuvent détruire l'ordre à longue distance. Cependant, dans les systèmes finis, les physiciens avaient étudié l'état cristallin unidimensionnel théorique de Wigner puisque l'ordre à quasi-longue distance produisait des corrélations cristallines. Les physiciens expérimentateurs ont suivi cette observation avec un sondage expérimental via des mesures de transport, mais les expériences n'ont pu que sonder les propriétés macroscopiques de cet état.

En principe, un outil d'imagerie approprié est nécessaire pour observer l'empreinte sans ambiguïté d'un cristal de Wigner dans sa structure en espace réel. Les scientifiques ont donc utilisé des expériences de sonde à balayage, bien qu'ils ne puissent imager que l'état de non-interaction ou montrer une synchronisation invasive par la sonde. Les mesures ont mis en évidence la difficulté inhérente à l'imagerie des interactions électroniques avec les méthodes de balayage conventionnelles. Pour résoudre et identifier individuellement les électrons, un macroscopique, pointe métallique ou diélectrique doit approcher les électrons plus près que leur séparation mutuelle. Néanmoins, de telles astuces et leurs interactions peuvent fortement déformer l'état étudié. Les scientifiques avaient donc besoin d'une sonde de balayage différente pour imager un état ou un système électronique en interaction.

Dans le travail present, Shapir et al. a introduit une plate-forme de sonde à balayage qui utilisait un nanotube de carbone (NT) comme un matériau hautement sensible, sonde à balayage encore peu invasive pour visualiser la densité à plusieurs corps d'électrons en interaction forte. La plate-forme contenait un microscope à sonde à balayage sur mesure fonctionnant à des températures cryogéniques (~ 10 mK) où deux dispositifs NT opposés pouvaient être rapprochés et scannés l'un à côté de l'autre. Les scientifiques ont utilisé un appareil pour héberger le système NT en tant que plate-forme 1-D à l'étude, et le deuxième dispositif perpendiculairement à celui pour contenir la sonde NT. Ils ont assemblé les deux dispositifs à l'aide d'une technique de nanoassemblage pour former des NTs immaculés suspendus au-dessus d'un réseau de grilles métalliques.

Les scientifiques ont maintenu de manière cruciale des interactions fortes et un faible désordre dans le système pour obtenir un cristal de Wigner en suspendant les NT bien au-dessus des grilles métalliques à 400 nm. Ensuite, en utilisant 10 portes électriquement indépendantes, ils ont conçu un potentiel qui confine les électrons entre deux barrières distantes de 1 µm, en les localisant centralement dans un long nanotube en suspension, loin des contacts pour éviter les interactions indésirables.

Shapir et al. utilisé des barrières très opaques pour empêcher l'hybridation de la fonction d'onde de l'électron confiné avec celles des électrons dans le reste de la NT. Étant donné que le transport dans cette situation était fortement supprimé, les scientifiques ont sondé les électrons confinés à l'aide d'un détecteur de charge situé sur un segment séparé de la même NT. Le dispositif de sonde NT utilisé séparément dans l'étude a conservé une structure presque identique, qui ne différait que par la longueur de suspension de 1,6 µm et le nombre de portes (trois).

Les scientifiques ont démontré le principe de fonctionnement sous-jacent à la technique d'imagerie connue sous le nom de « charge de balayage, " en commençant par les expériences les plus simples sur l'imagerie de la distribution de charge d'un seul électron confiné dans une boîte 1-D. Shapir et al. ont mesuré la réponse énergétique du système à une perturbation balayée (agitation) et ont directement déterminé la distribution de densité du système. Par mesurer l'énergie du système en fonction de la sonde NT, les scientifiques ont résolu directement le profil de densité de l'électron. Lors de la mesure de l'énergie, les scientifiques l'ont référencé à l'énergie de Fermi dans les dérivations et ont attribué la perturbation produite par les sondes à la séparation entre les deux TN et à la charge confinée à l'intérieur de la sonde TN.

Shapir et al. obtenu six panneaux dans les expériences pour indiquer la densité différentielle des six électrons ajoutés au système NT. Pour des perturbations minimales, ils ont effectué tous les balayages avec un électron dans la sonde NT. Les profils de densité imagés différaient clairement de ceux prédits par la physique des particules uniques, mais correspondaient à ceux d'un cristal en interaction forte. Lorsque Shapir et al. augmenter le nombre d'électrons, l'espacement des électrons réduit, bien que leur vitesse globale ait augmenté pour signifier des électrons confinés dans une "boîte" aux parois molles. Les images résultantes fournies directement, observations en espace réel des cristaux électroniques de Wigner.

Pour comprendre quantitativement les mesures, Shapir et al. effectué des calculs de groupe de renormalisation de matrice de densité (DMRG) et inclus des interactions de Coulomb à longue portée. Les positions des électrons mesurées (considérées comme des étoiles vertes) concordaient bien avec celles prédites par DMRG, placer les cristaux observés bien dans le régime d'interaction forte dans la configuration expérimentale. Pour comprendre la nature quantique du cristal de Wigner, Shapir et al. mesuré les caractéristiques d'effet tunnel du cristal et s'attendait à ce que les corrélations entre les électrons dans un cristal provoquent le passage du cristal à travers une barrière collectivement. Ils ont observé que la densité différentielle à effet tunnel devenait plus intéressante dans un système avec plus d'un électron car il présentait des empreintes digitales directes de mouvement collectif.

De cette façon, Shapir et al. utilisé une nouvelle méthode pour imager directement l'ordre spatial des électrons en interaction. Sur la base des résultats, ils anticipent la possibilité d'aborder des questions de base supplémentaires liées au cristal électronique quantique, y compris la nature de son ordre magnétique. La plate-forme de numérisation développée par Shapir et al. permettra une exploration plus approfondie d'un très large éventail d'états électroniques canoniques de la matière en interaction qui étaient auparavant hors de portée de l'imagerie.

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