Wenn die Bedingungen stimmen, ordnen sich Elektronen in einem Material zu einem ordentlichen Wabenmuster an. Physiker haben solche Wignerkristalle nun direkt abgebildet, wie sie im Magazin »Nature« berichten.

Benannt sind die Kristalle nach dem in Ungarn geborenen Theoretiker Eugene Wigner, der sie vor rund 90 Jahren erstmals vorstellte. Forschende hatten schon früher überzeugend Wignerkristalle erzeugt und ihre Eigenschaften gemessen, aber dies ist das erste Mal, dass jemand tatsächlich einen Schnappschuss von den Mustern gemacht hat, sagt Studienkoautor Feng Wang, ein Physiker an der University of California, Berkeley. »Wenn Sie sagen, Sie haben einen Elektronenkristall, zeigen Sie mir den Kristall«, sagt er.

Um die Gebilde herzustellen, baute Wangs Team ein Gerät mit atomar dünnen Schichten aus zwei ähnlichen Halbleitern: Wolframdisulfid und Wolframdiselenid. Das Team nutzte dann ein elektrisches Feld, um die Dichte der Elektronen einzustellen, die sich an der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten frei bewegen.

In gewöhnlichen Materialien sausen die Elektronen zu schnell umher, um von der Abstoßung zwischen ihren negativen Ladungen wesentlich beeinflusst zu werden. Wigner sagte jedoch voraus, dass diese Abstoßung ihr Verhalten dominieren würde, wenn sich die Elektronen langsam genug bewegten. Die Elektronen würden dann Anordnungen finden, die ihre Gesamtenergie auf ein Minimum reduzieren, wie ein Bienenwabenmuster. Wang und seine Kollegen verlangsamten also die Elektronen in ihrem Gerät, indem sie es auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlten.

Eine Fehlanpassung zwischen den beiden Schichten des Bauelements half den Elektronen außerdem, Wignerkristalle zu bilden. Die Atome in jeder der beiden Halbleiterschichten haben einen leicht unterschiedlichen Abstand zueinander, so dass ihre Paarung einen wabenförmigen Moiré-Effekt erzeugt, ähnlich dem, das man sieht, wenn man zwei Gitter übereinanderlegt. Durch dieses sich wiederholende Muster entstehen Bereiche mit etwas geringerer Energie, die den Elektronen helfen, sich zu beruhigen.

Tricksen mit Graphen

Das Team verwendete ein Rastertunnelmikroskop (STM), um diesen Wignerkristall zu sehen. Bei einem STM schwebt eine Metallspitze über der Oberfläche einer Probe, und eine Spannung lässt Elektronen von der Spitze herunterspringen, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird. Während sich die Spitze über die Oberfläche bewegt, zeigt die wechselnde Intensität des Stroms die Position der Elektronen in der Probe an.

Anfängliche Versuche, den Wignerkristall abzubilden, indem man das STM direkt auf die Doppelschichtvorrichtung anwendet, waren laut Wang erfolglos, weil der Strom die zerbrechlichen Wigner-Anordnungen zerstörte. Daher fügte das Team eine Schicht Graphen hinzu, eine einatomige Kohlenstoffschicht, die darüber liegt. Das Vorhandensein des Wignerkristalls veränderte die Elektronenstruktur des direkt darüber liegenden Graphen geringfügig, was dann vom STM aufgenommen werden konnte. Die Bilder zeigen deutlich die geordnete Anordnung der darunter liegenden Wigner-Elektronen. Wie erwartet, sind die aufeinanderfolgenden Elektronen im Wignerkristall fast 100-mal weiter voneinander entfernt als die Atome in den eigentlichen Kristallen des Halbleiterbauelements.

»Es ist ein großer Fortschritt, dass wir STM an diesem System durchführen können«, sagt Carmen Rubio Verdú, Physikerin an der Columbia University in New York City. Sie fügt hinzu, dass dieselbe auf Graphen basierende Methode STM-Studien einer Reihe anderer interessanter physikalischer Phänomene über Wignerkristalle hinaus ermöglichen wird. Kin Fai Mak, Physiker an der Cornell University in Ithaca, New York, stimmt dem zu: »Die Technik ist nicht invasiv für den Zustand, den man untersuchen will. Das ist eine sehr clevere Idee.«