Кристалл Электронов
Шестьдесят лет назад будущий лауреат Нобелевской премии Юджин Вигнер предсказал состояние вещества, противоречащее многим общепринятым представлениям о твердых телах. Электроны в таком веществе должны быть подвижными, но образовывать между собой кристаллическую решетку, т. е. двигаться все вместе «шаговым шагом» через твердое тело. Их спины остаются выровненными внешним магнитным полем. Первый шаг от теории к практике сделан. Первые образцы веществ с трехмерными вигнеровскими кристаллами были изготовлены в лабораториях физиков. Он похож на многие металлы, серебристо-серый и блестящий, его название «гексаборид кальция, легированный лантаном». «Мы не знаем, какое практическое значение он будет иметь, для этого он слишком нов. Но это заинтересует многих», - говорит Рой Гудрич из Университета штата Луизиана, принимавший участие в открытии.
В 1930-х годах физики-теоретики, в том числе Блох и Вигнер, предсказали особые свойства материалов с очень низкой плотностью электронов проводимости: электроны должны быть способны организовываться магнитно и даже пространственно регулярно, образуя расположение, т.е. кристаллизоваться.
В нормальных металлах электроны, ответственные за тепло- и электропроводность, движутся почти независимо друг от друга. Они образуют так называемую ферми-жидкость. Количество электронов с восходящим и нисходящим магнитным угловым моментом (спином) одинаково. Однако, если проводящих электронов очень мало, значение их кинетической энергии для взаимодействия друг с другом уменьшается. Затем спины электронов могут выровняться во внешнем магнитном поле, что означает, что материал становится ферромагнитным. Однако из-за относительно небольшого числа задействованных электронов ферромагнетизм очень слаб по сравнению с известными материалами, такими как железо или никель. Ниже этих значений должна быть и температура Кюри, ниже которой наступает ферромагнетизм. При еще более низких концентрациях электронный газ «замерзает», образуя «вигнеровский кристалл». Электроны зоны проводимости выстраиваются в правильную пространственную структуру. Однако они остаются подвижными и мигрируют, так сказать, «в ногу» сквозь твердое тело.
С тех пор, как были постулированы все эти свойства, физики неоднократно строили модели таких состояний, рассчитывали необходимую плотность частиц, предсказывали структуру ожидаемой решетки и устанавливали гипотетические температуры Кюри. Только одно пока не найдено: вещество, реально существующее вне компьютерных моделей, в котором электроны встречаются в виде трехмерного вигнеровского кристалла.
Международная группа исследователей обнаружила вещество, которое ясно демонстрирует описанные свойства: его синтезировали Закари Фиск и его докторант Дэвид Янг из Национальной лаборатории сильных магнитных полей Университета штата Флорида в Таллахасси. Они использовали полуметаллический гексаборид кальция (CaB6) и заменили некоторые атомы кальция на редкоземельный металл лантан. Каждый атом лантана внес электрон в зону проводимости. Таким образом, можно точно установить желаемую эффективную концентрацию электронов. При 7x1019 электронов на кубический сантиметр материал стал ферромагнитным. Это хорошо согласуется с компьютерными моделями, которые предсказывали концентрацию ниже 2 x 1020 на кубический сантиметр. Однако температура Кюри, до которой материал остается магнитным, значительно выше предполагаемой в 600 К. Ожидалось около 200 К.
Подробности магнитного поведения вещества и структуры наблюдаемого вигнеровского кристалла пока неизвестны. Однако Рой Гудрич считает, что он принадлежит к одному из шести традиционных классов кристаллов.
Синтез вигнеровского кристалла имеет такое же значение, как и получение в 1995 году другого экзотического состояния вещества, конденсата Бозе-Эйнштейна. Однако, в отличие от этого, материал, в котором может образоваться наблюдаемый сейчас кристалл, стабилен при комнатной температуре и относительно недорог в производстве. Это означает, что он станет желанным предметом исследования для многих ученых.
Heidelberger Verlag Spektrum der Wissenschaft является оператором этого портала. Его электронные и печатные журналы, в том числе «Spektrum der Wissenschaft», «Gehirn&Geist» и «Spektrum - Die Woche», сообщают о текущих результатах исследований.