Durchbruch in der Quantenphysik: Wigner-Kristall nach 90 Jahren erstmals auf Foto festgehalten

Forscher der Princeton Universität haben eine bedeutende Entdeckung gemacht. Sie visualisierten erstmals den Wigner-Kristall: Eine Struktur, die nur aus Elektronen besteht. Dieser Durchbruch bestätigt eine Theorie, die Eugene Wigner bereits 1934 aufstellte.

Wigner hatte damals prognostiziert, dass Elektronen sich bei niedrigen Temperaturen und hoher Dichte in einer regelmäßigen Gitterstruktur anordnen und eine kristalline Struktur bilden. Daher rührt auch der Name „Wigner-Kristall“. Bislang gab es diesen Elektronenkristall nur in der Theorie, nun ist einer Gruppe von Forschern der Princeton Universität ein Beweis gelungen.

Neue Technik eröffnet Einblicke

Das Forschungsteam nutzte dazu ein Rastertunnelmikroskop, um die Elektronen bei extrem niedrigen Temperaturen sichtbar zu machen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Mikroskopen funktioniert dies nicht mit Licht – stattdessen erlaubt es den Wissenschaftlern mithilfe von Quantentunnelung, die Elektronen auf subatomarer Ebene zu beobachten. Um die Elektronen auf die richtige Temperatur zu bringen, nutzte das Team zwei dünne Schichten Graphen, die auf Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt gekühlt wurden.

Zusätzlich wurde ein Magnetfeld angelegt, um die Dichte der Elektronen zwischen den Graphenschichten zu beeinflussen. Bei erhöhter Dichte rückten die Elektronen enger zusammen und ordneten sich zu einem regelmäßigen Gitter an, wodurch der Kristall entstand. Diese Entdeckung war laut Ali Yazdani, dem Hauptautor der Studie, zuvor nicht möglich.

Entdeckung bestätigt lange Theorie

Die Entstehung des Wigner-Kristalls bietet neue Möglichkeiten, seine Eigenschaften zu studieren und zu bestätigen. „Die Visualisierung dieses Kristalls ermöglicht es uns nicht nur, seine Entstehung zu beobachten, sondern wir können ihn auch auf eine Art und Weise studieren, die in der Vergangenheit nicht möglich war“, sagte Yazdani. Diese Aussage unterstreicht die Bedeutung der Studie, die auch in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde.

Quantenkristall mit besonderen Eigenschaften

Eine interessante Entdeckung der Studie ist die sogenannte „Nullpunkt-Bewegung“ der Elektronen. Die Elektronen im Kristall sind nicht punktuell fixiert, sondern bewegen sich innerhalb eines festgelegten Bereichs im Gitter. Dies macht den Wigner-Kristall zu einem neuartigen Quantenkristall, dessen Eigenschaften nun weiter erforscht werden sollen.

Die Forschung baut auf einer früheren Studie der Berkeley Universität aus dem Jahr 2021 auf. Die damalige Untersuchung hatte bereits Elektronenkristalle auf einer Graphenschicht fotografiert, aber es waren keine natürlich geformten Wigner-Kristalle. Die aktuelle Studie hat nun den echten Wigner-Kristall im richtigen Moment dokumentiert und auch seine dreieckige Form erkannt.

Die zukünftige Forschung wird sich darauf konzentrieren, wie sich das exotische Material unter verschiedenen Bedingungen verhält, was zu weiteren bedeutenden Entdeckungen führen könnte, schreibt Futurezone. Dieser Durchbruch könnte dabei helfen, neue Quantenphasen von Materie zu finden.

Was du dir merken solltest:

• Forscher der Princeton Universität haben den Wigner-Kristall zum ersten Mal sichtbar gemacht und damit eine Theorie bestätigt, die seit 1934 besteht.
• Mittels Rastertunnelmikroskopie konnte das Team die Elektronen visualisieren und deren ungewöhnliche „Nullpunkt-Bewegung“ innerhalb des Kristallgitters beobachten.
• Diese Entdeckung öffnet neue Wege, die Eigenschaften von Quantenkristallen zu erforschen und könnte zur Entdeckung weiterer Quantenphasen von Materie führen.

Übrigens: Ein weiteres Forschungsfeld, das immer wieder neue Theorien und Erkenntnisse hervorbringt, ist das der „Dunklen Energie“. Diese könne laut Forschern im Lauf der Zeit stärker und schwächer werden und damit weitaus dynamischer sein, als bislang angenommen.

Bild: © Vecteezy