Elektronen-Kristall

„Heiligen Gral der Festkörperphysik“ beobachtet

Ein Wigner-Kristall aus Elektronen (rot) in einem Halbleitermaterial (blau/grau). Theoretisch war seine Existenz schon vor Jahrzehnten vorhergesagt worden.

(Bild: ETH Zürich)

Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich haben erstmals einen Kristall beobachtet, der nur aus Elektronen besteht. Das Phänomen des sogenannten „Wigner-Kristalls“ gilt als „Heiliger Gral der Festkörperphysik“: Vorausgesagt wurde es vor fast 90 Jahren, eine direkte Bestätigung blieb aber bis dato 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 These.

Nur unter extremen Bedingungen möglich
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.

Forschern 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, der Erstautor der Studie . 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.

Erste direkte Beobachtung gelungen
Mit einem Kniff gelang es den Physikern, die regelmäßige Anordnung der Elektronen trotz dieses geringen Abstands im Kristallgitter sichtbar zu machen. Mit sogenannten Exzitonen - Paaren aus Elektronen und „Löchern“ - konnten sie die regelmäßige Anordnung der Elektronen im Wigner-Kristall trotz ihres geringen Abstands zueinander direkt nachweisen.