02.02.2022

Direkter Nachweis von Wigner-Kristallen

Neue Theorie schlägt Terahertz-Strahlung für die Analyse der Elektronenkristalle vor.

Kristalle müssen nicht aus Atomen bestehen – auch Elektronen können Kristalle bilden, wenn sie sich in einem regel­mäßigen Gitter anordnen. Das ist bereits in hauchdünnen Halbleitern gelungen, die nur eine Atomlage dick sind. Terahertz-Strahlung eignet sich dazu, solche zweidimen­sionalen Kristalle nachzuweisen. Das zeigen Modell­rechnungen der Marburger Physiker Samuel Brem und Ermin Malic. „Es handelt sich um eine exotische Quantenphase der Materie“, legt Malic dar. „Solche Wigner-Kristalle in atomdünnen Nano­materialien sind ein heißes Thema in der aktuellen Forschung.“

Abb.: Wenn sich Elektronen in hauch­dünnen Materialien zu Wigner-Kristallen...
Abb.: Wenn sich Elektronen in hauch­dünnen Materialien zu Wigner-Kristallen anordnen, lässt sich dies mit Terahertz­strahlen nachweisen. (Bild: S. Brem)

Für die Existenz von Wigner-Kristallen wurden bislang eher indirekte Nachweise genutzt. „Ein direkter, zuver­lässiger und schlüssiger experi­menteller Beweis für den Wigner-Kristall konnte bisher jedoch nicht erbracht werden“, erklärt Samuel Brem. Genau hier setzen die beiden Marburger Physiker an. Sie schlagen vor, Terahertz-Strahlung für den Nachweis zu nutzen. Malic und Brem entwickelten dazu ein theo­retisches Modell, um einerseits die Beschaffenheit und die optischen Eigen­schaften des Wigner-Kristalls zu beschreiben; anderer­seits dient die Theorie dazu, die Form des erhaltenen Tera­hertz-Spektrums zu ana­lysieren.

„Unsere Berechnungen zeigen, dass das Antwort­spektrum von einschich­tigen Wigner-Kristallen auf eine Terahertz-Bestrahlung als eindeutiger Finger­abdruck verwendet werden kann“, berichten die Forscher. Sie sagen das Auftreten einer Reihe von Terahertz-Resonanzen voraus, die verschiedene atomar dünne Materialien kenn­zeichnen; „unsere Ergebnisse lassen sich auf ein beliebiges zweidimensionales System verall­gemeinern“, sagen die Marburger Physiker. 

U. Marburg / JOL

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