Kristal Yang Terbuat Dari Sebuah Elektron – Para peneliti di ETH Zurich telah berhasil mengamati kristal yang hanya terdiri dari elektron. Kristal Wigner seperti itu sudah diprediksi hampir sembilan puluh tahun yang lalu tetapi baru sekarang dapat diamati secara langsung dalam bahan semikonduktor.
Kristal telah membuat orang terpesona selama berabad-abad. Siapa yang tidak mengagumi pola kompleks kepingan salju di beberapa titik, atau permukaan kristal batu yang simetris sempurna? sbobet88 slot
Keajaiban tidak berhenti bahkan jika seseorang tahu bahwa semua ini dihasilkan dari interaksi sederhana antara tarik-menarik dan tolak-menolak antara atom dan elektron. Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Ataç Imamoğlu, profesor di Institute for Quantum Electronics di ETH Zurich, kini telah menghasilkan kristal yang sangat istimewa.
Tidak seperti kristal normal, ia hanya terdiri dari elektron. Dengan melakukan itu, mereka telah mengkonfirmasi prediksi teoretis yang dibuat hampir sembilan puluh tahun yang lalu dan yang sejak itu dianggap sebagai semacam cawan suci fisika benda terkondensasi. Hasil mereka baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal ilmiah Nature.
Prediksi berusia puluhan tahun
“Apa yang membuat kami bersemangat tentang masalah ini adalah kesederhanaannya,” kata Imamo.lu. Sudah pada tahun 1934 Eugene Wigner, salah satu pendiri teori simetri dalam mekanika kuantum, menunjukkan bahwa elektron dalam suatu material secara teoritis dapat mengatur diri mereka sendiri dalam pola seperti kristal yang teratur karena tolakan listrik timbal balik mereka.
Alasan di balik ini cukup sederhana: jika energi tolakan listrik antara elektron lebih besar dari energi gerak mereka, mereka akan mengatur diri mereka sendiri sedemikian rupa sehingga energi total mereka sekecil mungkin.
Namun, selama beberapa dekade, prediksi ini tetap murni teoretis, karena “kristal Wigner” itu hanya dapat terbentuk dalam kondisi ekstrem seperti suhu rendah dan sejumlah kecil elektron bebas dalam materi.
Ini sebagian karena elektron ribuan kali lebih ringan daripada atom, yang berarti bahwa energi geraknya dalam susunan teratur biasanya jauh lebih besar daripada energi elektrostatik karena interaksi antara elektron.
Elektron di pesawat
Untuk mengatasi hambatan tersebut, Imamoğlu dan rekan-rekannya memilih lapisan tipis-wafer dari bahan semikonduktor molibdenum diselenida yang hanya setebal satu atom dan, oleh karena itu, elektron hanya dapat bergerak dalam bidang.
Para peneliti dapat memvariasikan jumlah elektron bebas dengan menerapkan tegangan ke dua elektroda graphene transparan, di mana semikonduktor diapit.
Menurut pertimbangan teoretis, sifat listrik molibdenum diselenida seharusnya mendukung pembentukan kristal Wigner—asalkan seluruh peralatan didinginkan hingga beberapa derajat di atas nol mutlak minus 273,15 derajat Celcius.
Namun, memproduksi kristal Wigner saja tidak cukup. “Masalah berikutnya adalah untuk menunjukkan bahwa kami benar-benar memiliki kristal Wigner di peralatan kami,” kata Tomasz Smoleński, yang merupakan penulis utama publikasi dan bekerja sebagai postdoc di laboratorium Imamoğlu.
Pemisahan antara elektron dihitung menjadi sekitar 20 nanometer, atau kira-kira tiga puluh kali lebih kecil dari panjang gelombang cahaya tampak dan karenanya tidak mungkin untuk diselesaikan bahkan dengan mikroskop terbaik.
Deteksi melalui excitons
Dengan menggunakan trik, para fisikawan berhasil membuat susunan elektron yang teratur terlihat meskipun ada pemisahan kecil dalam kisi kristal. Untuk melakukannya, mereka menggunakan cahaya dari frekuensi tertentu untuk membangkitkan apa yang disebut excitons di lapisan semikonduktor.
Excitons adalah pasangan elektron dan “lubang” yang dihasilkan dari elektron yang hilang dalam tingkat energi material.
Frekuensi cahaya yang tepat untuk penciptaan rangsangan tersebut dan kecepatan pergerakannya bergantung pada sifat material dan interaksi dengan elektron lain dalam material—dengan kristal Wigner, misalnya.
Susunan periodik elektron dalam kristal menimbulkan efek yang kadang-kadang dapat dilihat di televisi.
Ketika sepeda atau mobil melaju lebih cepat dan lebih cepat, di atas kecepatan tertentu roda tampak berhenti dan kemudian berputar ke arah yang berlawanan. Ini karena kamera mengambil bidikan roda setiap 40 milidetik.
Jika pada saat itu jari-jari roda yang berjarak teratur telah bergerak tepat pada jarak antara jari-jari, roda tampaknya tidak berputar lagi.
Demikian pula, dengan adanya kristal Wigner, eksiton yang bergerak tampak stasioner asalkan mereka bergerak pada kecepatan tertentu yang ditentukan oleh pemisahan elektron dalam kisi kristal.
Pengamatan langsung pertama direct
“Sekelompok fisikawan teoretis yang dipimpin oleh Eugene Demler dari Universitas Harvard, yang pindah ke ETH tahun ini, telah menghitung secara teoritis bagaimana efek itu akan muncul dalam frekuensi eksitasi yang diamati dari eksitasi—dan itulah tepatnya yang kami amati di lab, ” kata Imamoglu.
Berbeda dengan percobaan sebelumnya berdasarkan semikonduktor planar uctors, di mana kristal Wigner diamati secara tidak langsung melalui pengukuran saat ini, ini adalah konfirmasi langsung dari susunan teratur elektron dalam kristal.
Di masa depan, dengan metode baru mereka, Imamoğlu dan rekan-rekannya berharap untuk menyelidiki dengan tepat bagaimana kristal Wigner terbentuk dari ‘cairan’ elektron yang tidak teratur.…