조건이 맞다면 물질 내부의 일부 전자는 마치 고체 안의 고체처럼 깔끔한 벌집 패턴으로 배열된다. 물리학자들은 이제 거의 90년 전에 처음으로 상상한 헝가리 태생의 이론가 Eugene Wigner의 이름을 따서 명명된 이 '위그너 결정'을 직접 이미지화 했다.  

연구원들은 이전에 위그너 결정을 확실하게 만들고 그 특성을 측정했지만, 실제로 패턴의 스냅샷을 찍은 사람은 이번이 처음이라고 연구 공동 저자이자 캘리포니아 대학교 버클리의 물리학자인 Feng Wang이 말했다. "당신이 전자 결정을 가지고 있다고 말하면, 나에게 결정을 보여달라."라고 그는 말한다. 결과는 9월 29일 네이처에 게재되었다.

위그너 결정을 만들기 위해 Wang의 팀은 두 개의 유사한 반도체, 즉 이황화 텅스텐과 이셀레나이드 텅스텐을 포함하는 장치를 만들었다. 그런 다음 팀은 전기장을 사용하여 두 층 사이의 경계면을 따라 자유롭게 움직이는 전자의 밀도를 조정했다.

일반 물질에서 전자는 음전하 사이의 반발력에 크게 영향을 받기에는 너무 빨리 확대된다. 그러나 위그너는 전자가 충분히 천천히 이동하면 그 반발이 행동을 지배하기 시작할 것이라고 예측했다. 그런 다음 전자는 벌집 패턴과 같이 전체 에너지를 최소화하는 배열을 찾는다. 그래서 Wang과 그의 동료들은 절대 영도보다 몇 도 정도만 냉각시켜 장치의 전자를 느리게 했다.

장치의 두 층 사이의 불일치도 전자가 위그너 결정을 형성하는 데 도움이 되었다. 두 개의 반도체 층 각각의 원자는 거리가 약간 다르기 때문에 함께 쌍을 이루면 두 개의 그리드를 겹칠 때 보이는 것과 유사한 벌집형 '무아레 패턴'이 생성된다. 그 반복 패턴은 전자가 안정되는 데 도움이 되는 약간 낮은 에너지 영역을 생성했다.

그래핀 트릭

팀은 이 위그너 결정을 보기 위해 주사 터널링 현미경(STM)을 사용했다. STM에서 금속 팁은 샘플 표면 위로 떠오르고 전압은 전자가 팁에서 아래로 점프하여 전류를 생성한다. 팁이 표면을 가로질러 이동함에 따라 전류의 세기가 변하면 샘플에서 전자의 위치가 드러난다.

STM을 이중층 장치에 직접 적용하여 위그너 결정을 이미지화 하려는 초기 시도는 전류가 취약한 위그너 배열을 파괴했기 때문에 실패했다고 Wang은 말했다. 그래서 팀은 탄소의 단일 원자 시트인 그래핀 층을 맨 위에 추가했다. 위그너 결정의 존재는 바로 위에 있는 그래핀의 전자 구조를 약간 변화시켰고, 이는 STM에 의해 포착되었다. 이미지는 기본 위그너 전자의 깔끔한 배열을 명확하게 보여준다. 예상대로 위그너 결정의 연속 전자는 반도체 장치의 실제 결정에 있는 원자보다 거의 100배 더 멀리 떨어져 있다.

"이 시스템에서 STM을 수행할 수 있게 된 것은 대단한 발전이라고 생각한다."라고 뉴욕 시 컬럼비아 대학의 물리학자인 Carmen Rubio Verdú가 말했다. 그녀는 동일한 그래핀 기반 방법이 STM 연구를 통해 위그너 결정 이외의 여러 흥미로운 물리적 현상을 가능하게 할 것이라고 덧붙였다. 뉴욕 이타카에 있는 코넬 대학의 물리학자인 Kin Fai Mak도 이에 동의한다. “이 기술은 조사하려는 상태에 대해 비침습적이다. 저에게 그것은 매우 영리한 아이디어이다.”