Даже при близкой к абсолютному нулю температуре большинство электронов в твердом теле имеют очень большую кинетическую энергию.

Рис. 1. Ожидаемое заполнение дискретных
энергетических уровней
короткой нанотрубки электронами

Это связано с тем, что электроны, будучи фермионами, подчиняются статистике Ферми-Дирака и поэтому не конденсируются на одном уровне с минимальной энергией, а в соответствии с принципом Паули попарно («спин вверх», «спин вниз») занимают много энергетических уровней вплоть до уровня Ферми E_F ~ 1 эВ. При большой концентрации электронов их средняя кинетическая энергия значительно превышает среднюю энергию межэлектронного взаимодействия, и именно она определяет электронное строение твердых тел.

Однако при низкой концентрации электронов основную роль начинает играть кулоновское отталкивание между ними. В 1934г. Вигнер показал [1], что электроны при этом образуют упорядоченное состояние – так называемый вигнеровский кристалл, в котором каждый электрон локализован в окрестности определенной точки пространства. Этот “электронный кристалл” формируется спонтанно, и его структура не зависит от расположения положительных ионов в “атомном кристалле”. Для образования вигнеровского кристалла требуется исключительно чистая, с минимальным количеством дефектов система. До настоящего времени экспериментально он наблюдался только на поверхности жидкого гелия [2] (двумерный вигнеровский кристалл).

Рис. 2. Одномерный вигнеровский кристалл в углеродной нанотрубке

Недавно в Калифорнийском технологическом институте в ходе работ по исследованию бездефектных углеродных нанотрубок был обнаружен удивительный эффект [3]: при добавлении в нанотрубку нескольких (в пределах 10) электронов все они имели одинаковое направление спина, вопреки ожидаемой картине заполнения энергетических уровней электронами с противоположно направленными спинами (рис. 1). Выполненный авторами [3] анализ показал, что причиной этого является формирование в нанотрубке одномерного вигнеровского кристалла, причем не обычного, а спин-поляризованного (рис. 2). Расстояние между электронами в таком кристалле составляет около 100 нм – достаточно много, чтобы попытаться организовать операции со спинами отдельных электронов путем воздействия на них внешними управляющими сигналами. Пока не ясно, выживет ли вигнеровский кристалл в результате такого воздействия. Если да, то его можно будет использовать в качестве регистра для хранения спиновых кубитов и операций с ними.

Автор – Л. Опенов

• 1. J.B.Gosk et al., Supercond. Sci. Technol. 21, 065019 (2008)
• 2. C.Grimes, G.Adams, Phys. Rev. Lett. 42, 795 (1979)
• 3. V.Deshpande, M.Bockrath, Nature Phys. 4, 314 (2008)