Licht enthüllt die verborgene Bewegung in einem Kristall aus Elektronen

Manche Elektronen hören auf, sich wie unabhängige Teilchen zu verhalten, wenn sie in eine flache Ebene gezwungen und nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden – sie ordnen sich dann zu einem kristallinen Gitter aus reiner Ladung an. Dieses erstmals 1934 von Eugene Wigner vorhergesagte „Wigner-Kristall“ ist einer der schwersten Zustände der kondensierten Materie – und sein Innenleben war fast unmöglich direkt zu beobachten.

Jetzt haben Forscher der Universität Basel und der Technischen Universität München (TUM) einen Weg gefunden. Wie sie in Nature Physics berichten, nahm das Team um Tomasz Smoleński in Basel eine einzelne atomare Schicht Wolframdiselenid, kühlte sie auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt und beleuchtete sie. Das reflektierte Licht trug Signale, die nicht nur zeigen, wo die Elektronen des Kristalls sitzen, sondern auch, wie sie sich gemeinsam bewegen.

Der Trick ist eine neue Art von Quasiteilchen. Wenn Licht Anregungen (Exzitonen) im Material erzeugt, koppeln diese an die kollektive Bewegung der geordneten Elektronen und bilden Hybride, die das Team „Wigner-Kristall-Polaronen“ nennt. Sie wirken als extrem empfindliche optische Sonden und kodieren die innere Dynamik des Kristalls in das reflektierte Spektrum. Das Team fand außerdem, dass die Signale von der Stärke der Elektron-Elektron-Wechselwirkungen abhängen – eine Verbindung, die die Technik zu einem allgemeinen Werkzeug für stark korrelierte Materialien machen könnte, bei denen Verhalten aus dem Zusammenspiel vieler Teilchen entsteht.

„Unsere Messungen zeigen, dass Licht mehr kann, als das Vorhandensein dieses exotischen Zustands nachzuweisen – es kann zeigen, wie sich der Zustand innerlich verhält“, sagt Erstautor Lujun Wang. Ein theoretisches Modell der Gruppe von Michael Knap an der TUM erklärt, wie die Polaronen entstehen, und verbindet die Beobachtungen direkt mit der zugrunde liegenden Vielteilchenphysik.

Der Ansatz gibt Physikern ein seltenes, nicht-invasives Fenster zur kollektiven Quantenbewegung – und eine Plattform in atomar dünnen Materialien, um die seltsame Dynamik zu erforschen, die entsteht, wenn viele Elektronen im Gleichschritt marschieren.