Wigner Jenő nyolcvanéves jóslatát sikerült igazolniuk magyar és izraeli kutatóknak.

A Nobel-díjas fizikus által megjósolt különleges kvantumkristályt egy szén nanocsőben figyelték meg, ami a kvantum- és nanotechnológia területén jelent lényeges előrelépést. Az MTA-BME Lendület Egzotikus Kvantumfázisok Kutatócsoport és az MTA Wigner FK Lendület Erősen Korrelált Rendszerek Kutatócsoport kutatói az izraeli Weizmann Intézet csapatával igazolta a jóslatot.

Eszerint az elektronok képesek szabályos kvantumkristályt alkotni, ha a közöttük lévő Coulomb-kölcsönhatás elegendően erős. A kutatóknak ezt az úgynevezett Wigner-kristályt sikerült megfigyelniük egy szén nanocsőben kísérletek és részletes numerikus szimulációk ötvözésével.

Híg elektrongázokban megnő a Coulomb-kölcsönhatás szerepe, az elektronoknak hatalmas energiába kerül ugyanis, ha két részecske egy helyen tartózkodik. Wigner Jenő erre felfigyelve azt jósolta, hogy ezt elkerülendő az elektronok abszolút 0 fokos hőmérsékleten (Wigner, E.: On the Interaction of Electrons in Metals. Physical Review, 46, 1002 (1934)) kristályba rendeződnek. Bár az elmúlt közel egy évszázadban óriási verseny folyt annak érdekében, hogy nagy tisztaságú anyagokban vagy azok felületén megvalósítható legyen az anyag e törékeny kvantummechanikai állapota, mind ez idáig csak a magas hőmérsékleten kialakuló úgynevezett klasszikus Wigner-kristály létezését tudták meggyőzően kísérletileg bizonyítani. A mostani felfedezés az első, ahol közvetlenül sikerült megfigyelni az alacsony hőmérsékleten kialakuló kvantumkristály töltésmintázatát.

A felfedezés egy új kísérleti módszeren alapul.

A kialakuló kristály rendkívül „törékeny”, ezért az izraeli kutatók egyetlen elektron töltését használták „puha” érzékelőként. Azzal tapogatták le a nanocsőben kialakuló kristály térbeli szerkezetét. „Az új kísérleti elrendezésben mind a mérő-, mind pedig a mérni kívánt rendszert egy-egy nanocső alkotja” – mondta Zaránd Gergely, az MTA-BME Lendület Egzotikus Kvantumfázisok Kutatócsoport vezetője, a BME Fizikai Intézetének igazgatója.

A vizsgált nanocsövön az elektronok számát és az őket fogva tartó potenciált elektródák segítségével kontrollálják. A mérőfejként használt nanocsővel végigpásztázva a rendszert az elektronok töltéseloszlása és kvantummechanikai hullámfüggvénye közvetlenül meghatározható. A rendszerbe egy-, két-, három- stb. számú elektront téve a töltéseloszlásban egy-, két-, három- stb. számú, egymástól néhány nanométeres távolságban elhelyezkedő csúcs figyelhető meg.

Annak eldöntése, hogy a kialakult kvantummechanikai állapot milyen kölcsönhatások eredményeként jött létre, elméleti számítások és numerikus szimulációk elvégzését igényelte. Ezeket a kísérleti eredmények értelmezéséhez szükséges kvantumelméleti számításokat a BME és az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatói végezték. A legmodernebb kvantumkémiai módszereket alkalmazva a szén nanocső leírására.

„Az elvégzett úgynevezett DMRG számítások már önmagukban is nagy áttörést jelentenek a területen. Számos olyan új algoritmikus megoldást fejlesztettünk ki. Enélkül a számításokat nem lehetett volna elvégezni” – mondta Legeza Örs, az MTA Wigner FK Lendület Erősen Korrelált Rendszerek Kutatócsoport vezetője. Jelenleg Humboldt-díjasként több kutatási projektet is irányít Németországban.

Az elméleti számítások révén meghatározott elektron-kristályszerkezet struktúrája nem várt pontossággal mutatott egyezést a mérési eredményekkel. Ezzel igazolva, hogy az új kvantumos fázis valóban a Wigner Jenő által megjósolt kvantumkristály.