Совместная исследовательская группа из Израиля, США и Италии утверждает, что ей удалось наблюдать так называемую молекулу Вигнера в ультрачистых углеродных нанотрубках. Работа ученых подтверждает теоретические предсказания, сформулированные еще в 1930 году, согласно которым очень чистые структуры, вроде углеродных нанотрубок, могут использоваться для манипуляции чувствительными электронными состояниями, существование которых невозможно в обычных материалах.

Одна из самых простых квантово-механических систем – это два связанных между собой электрона. Когда они сильно взаимодействуют, формируется так называемое основное вигнеровское состояние, существование которого было предсказано еще в 1934 году Юджином Вигнером.

Согласно законам квантовой механики, электроны всегда распределяются, занимая предоставленный объем. Однако, когда силы отталкивания между ними достаточно велики, тенденция к распределению нарушается. В этом случае электроны образуют упорядоченную структуру, получившую название кристалла Вигнера.

Упомянутые квантовые состояния очень тяжело наблюдать на эксперименте, поскольку они являются слишком «хрупкими». Они могут быть легко разрушены близлежащими электронами и атомами материала, контактирующими с исследуемой системой.

Для наблюдения данного состояния группа исследователей из Weizmann Institute of Science (Израиль), Cornell University (США) и CNR-NANO Research Centre (Италии) использовала самое чистое из известных веществ, находящихся в конденсированном состоянии. В качестве основы для своих экспериментов они применили электрически-нейтральные нанотрубки, подвешенные в вакууме и не касающиеся никаких других объектов, кроме двух металлических электродов.

В ходе работы данная система была заряжена ровно двумя электронами. Исследуя транспорт заряда через нанотрубку, ученые могли сделать вывод о том, как взаимодействуют между собой электроны.

С помощью метода, известного как «спектроскопия транспорта», ученые обнаружили, что, как и было предсказано Вигнером, отталкивающиеся друг от друга электроны располагаются на противоположных концах нанотрубки, формируя таким образом «молекулу». Когда с помощью внешней силы ученые пытались переместить один электрон так, чтобы оба находились в одном конце нанотрубки, некоторое время между электронами сохранялось прежнее расстояние.

Совместные движения электронов при таких манипуляциях дополнительно доказывают, что «молекула» образуется в результате взаимодействия электронов, вне зависимости от их взаимодействия с окружающей средой.

Как считают сами ученые, помимо подтверждения теоретических предсказаний Вигнера, их работа доказывает, что очень чистые системы, такие как углеродные нанотрубки, могут использоваться для контролируемого манипулирования чувствительными электронными состояниями.

Если бы нанотрубки можно было бы использовать для работы более чем с двумя электронами, по их мнению, это подтолкнуло бы целую волну новых исследований с использованием данных материалов.

Однако уже сейчас углеродные нанотрубки, наиболее нетронутые твердотельные системы, существующие в настоящее время, можно использовать в качестве «лаборатории» для изучения квантово-механических явлений на наноуровне.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics.