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ETH-Forscher finden «Heiligen Gral der Festkörperphysik»
ETH-Forscher haben erstmals einen Kristall beobachtet, der nur aus Elektronen besteht. Das Phänomen des «Wigner-Kristalls» gilt als «Heiliger Gral der Festkörperphysik»: Vorausgesagt wurde es vor fast 90 Jahren, nur die direkte Bestätigung blieb bisher aus.
1934 zeigte der Ungar Eugene Wigner, einer der Mitbegründer der Theorie der Symmetrien in der Quantenmechanik, dass die Elektronen eines Materials sich theoretisch aufgrund ihrer gegenseitigen elektrischen Abstossung unter bestimmten Voraussetzungen in regelmässigen, kristallförmigen Mustern anordnen können. Ist die elektrische Abstossungsenergie zwischen den Elektronen grösser als ihre Bewegungsenergie, so ordnen sie sich derart an, dass ihre gesamte Energie so gering wie möglich ist, lautete seine Theorie.
Und Theorie blieb sie bisher auch. Denn Wigner-Kristalle können sich nur unter extremen Bedingungen bilden, etwa bei tiefen Temperaturen und einer sehr geringen Anzahl freier Elektronen im Material. Normalerweise ist die Bewegungsenergie von Elektronen in einer regelmässigen Anordnung viel grösser als die elektrostatische Energie aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Elektronen. Um einen Kristall zu bilden, müsste es aber umgekehrt sein.
Und so wird's gemacht
Forschende unter Leitung von Ataç Imamoğlu, Professor am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich, wählten eine hauchdünne Schicht des Halbleitermaterials Molybdän-Diselenid, die gerade mal ein Atom dick ist und in der sich Elektronen daher nur in einer Ebene bewegen können. Mittels Anlegung einer elektrischen Spannung wurde die Zahl der freien Elektronen minimiert und das Ganze abgekühlt auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius.
«Das nächste Problem war nachzuweisen, dass wir tatsächlich Wigner-Kristalle in unserem Apparat hatten», erklärt Tomasz Smoleński, Erstautor der Studie und Postdoktorand in Imamoğlus Labor. Der errechnete Abstand zwischen den Elektronen des Wigner-Kristalls sollte nämlich um die 20 Nanometer liegen - also etwa dreissig Mal kleiner als die Wellenlänge von sichtbarem Licht und damit selbst für die besten Mikroskope unauflösbar.
Mit der Hilfe von sogenannten Exzitonen - Paaren aus Elektronen und «Löchern» - konnte die regelmässige Anordnung der Elektronen im Wigner-Kristall trotz ihres geringen Abstands zueinander direkt nachgewiesen werden.
*Fachpublikationslink https://doi.org/10.1038/s41586-021-03590-4