Wigner elképzelése, miszerint létezhetnek csak elektronokból álló kristályszerkezetek, elméletben nagyon egyszerű volt, de gyakorlatilag rendkívül nehéznek bizonyult igazolni, hogy ilyen struktúra lehetséges. A fizikusok az elmúlt nyolc évtizedben számtalan módon próbálták kristályszerkezetbe kényszeríteni az elektronokat, az igaz áttörésre azonban mostanáig várni kellett. Idén júniusban azonban két kutatócsoport is arról számolt be egymástól függetlenül, hogy sikerült ilyen kristályokat kísérletileg, közvetlenül megfigyelniük.

Az elektronok taszítják egymást, így logikus megközelítésnek tűnt, hogy a részecskék extrém lehűtésével annyira le lehet csökkenteni energiájukat, hogy megüljenek egy kristályrácsban. A hideg elektronok azonban a kvantummechanika furcsa törvényeinek engedelmeskedve hullámként viselkednek, így ahelyett, hogy megülnének a helyükön, ide-oda mozognak, olykor szomszédaiknak is nekimenve. Ilyen körülmények között pedig kristályszerkezet helyett egy tócsaszerű, folyékony képződményt kapunk eredményül.

Az új eredményekről beszámoló kutatócsoportok egyike mintegy véletlenül járt sikerrel. Hongkun Park, a Harvard kutatója társaival szigetelővel elválasztott, rendkívül vékony félvezetőkkel kísérletezett. Ezeket a „szendvicseket” mínusz 230 °C-ra hűtötték, majd ilyen körülmények között manipulálták a rétegekben lévő elektronokat. A kutatók azt figyelték meg, hogy egy bizonyos számú elektron esetén az adott félvezető rétegben a részecskék gyakorlatilag megdermednek. Mintha nem tudnának mozogni a félvezetőben – ami rendkívül meglepő fejlemény volt.

A kutatók konzultálni kezdtek az elméleti fizikusokkal, és az ő javaslatukra kezdték a Wigner-kristályok oldaláról megközelíteni a problémát. Wigner számításai szerint egy lapos, kétdimenziós anyagban a kristályszerkezetbe rendeződött elektronok háromszögeket alkotnak. A kísérletek során megfigyelt esetekben, amikor az elektronok mozgása leállt, a félvezető rétegekben pontosan így, háromszögletű rácsba rendeződtek az elektronok. Ebben a struktúrában az rétegen belüli és a rétegek közötti erők annyira kioltották egymást, hogy a részecskék legkisebb kvantummozgásai is leálltak.

Ez a kristályosodás azonban csak akkor következett be, ha az elektronok száma minden rétegben meghatározott módon igazodott egymáshoz: a sűrűbben lakott rétegben a háromszögeknek tökéletesen ki kellett tölteniük a szomszédos, ritkábban lakott réteg nagyobb háromszögeit. Ilyen módon kétrétegű Wigner-kristályok jöttek létre.

Miután a szakértők rájöttek, hogy mit találtak, az elektronok kvantumtermészetét bátorítva meg is tudták bontani a kristályokat. A Wigner-kristály olvadása kvantumszintű fázisváltás, vagyis hasonlít a jég olvadásához, csak hozzáadott hő nélkül történik. A teoretikusok ennek a folyamatnak a körülményeit is régen felvázolták, de az új kísérlet most közvetlen mérési eredményekkel támasztja alá az elméleti előrejelzéseket.

Korábbi kísérletek során már látták közvetett nyomát Wigner-kristályok képződésének, de az új kísérletek sokkal meggyőzőbb, közvetlen megfigyelési adatokkal szolgálnak. A kutatók egy új módszert alkalmaztak a megfigyelésre, excitonoknak nevezett kvázirészecskékkel bombázták a félvezetőrétegeket. Az ezt követően kisugárzott fény minőségéből megállapítható volt, hogy az excitonok szabadon áramló elektronokkal vagy kristályos elektronszerkezettel találkoztak. Ilyen módon ténylegesen meg tudták figyelni a háromszöges elrendezésű kristályokat. A másik sikeres kutatócsoportot Ataç Imamoğlu, az ETH Zürich kutatója vezette. Ez a csapat szintén hasonló módszerekkel figyelte meg a Wigner-kristályok formálódását.

A Wigner-kristályok legfőbb érdekessége, hogy nagyon sok elektron kölcsönhatásainak eredményeként jönnek létre. Míg a fizikusok egyetlen elektron viselkedését nagy pontossággal előre tudják jelezni számításaik alapján, ahogy nő az interakcióba kerülő részecskék száma, úgy válik egyre képtelenebb feladattá mindez. A kristályokban egy helyben álló elektronok egy olyan rendszert alkotnak, amelyben a részecskék viselkedése ismert, így „csak” az ezt létrehozó erőket kell megfejteni. A kutatások következő szakaszában a szakértők éppen ezért alaposabban tervezik vizsgálni a Wigner-kristályokat, és hogy mi történik ezek felbomlásakor.