Фізики запропонували і реалізували неруйнівний спосіб візуалізації почесного вигнерівського кристала в муаровій надрешітці. Вони домоглися цього, додавши допоміжний графеновий шар, з поверхні якого знімалися карти провідності голкою скануючого тунельного мікроскопа. Дослідження опубліковано в.
Вигнерівським кристалом називають впорядковану фазу електронної щільності. Порядок виникає тоді, коли кінетична енергія електронів (або квазіелектронів) багато менше потенційної енергії кулонівської взаємодії. У цьому сенсі вигнерівський кристал протиставляється електронному газу - фазі електронної щільності, для якої характерне переважання кінетичної енергії електронів над потенційною енергією.
Той факт, що електронний газ здатний кристалізуватися, вперше теоретично показав Юджин Вігнер в 1934 році. Відтоді фізики активно шукають і знаходять системи, в яких існує така тендітна фаза. Головними інструментами, що дозволяють підтверджувати існування вигнерівських кристалів в експерименті, стали вимірювання провідності та оптичного відгуку. Проблема, однак, полягає в непрямості цих методів, що допускає іншу інтерпретацію експериментальних даних. Разом з тим прямий вимір розподілу електронної щільності, наприклад, за допомогою скануючої тунельної мікроскопії (СТМ), яке дозволило б візуалізувати саму вигнерівську решітку з хорошою просторовою роздільною здатністю, неможливо, оскільки зонд швидко руйнує електронний кристал.
Група фізиків з США і Японії під керівництвом Майкла Кроммі (Michael Crommie) і Фена Вана (Feng Wang) з Каліфорнійського університету в Берклі придумала, як обійти цю проблему. Вони вимірювали тунельну провідність dI/dV буферного графенового шару, розташованого над вигнерівським кристалом. Періодичний розподіл електронної щільності під графеном модулював сигнал його провідності. Голка мікроскопа при цьому була досить далеко від вигнерівського кристала і не руйнувала його.
Для реалізації цієї ідеї фізики синтезували складну вандерваальсову гетероструктуру, що складається з Si/SiO2-підкладки, шарів WSe2 і WS2, оточених листами нітриду бору, і шару графену. Шари WSe2 і WS2 були повернуті відносно один одного на дуже маленький кут, утворюючи муарову надрешітку з періодом, рівним 8 нанометрам. Така періодичність близька до оптимальних параметрів вигнерівських решіток і тому сприяє їхній освіті. Електрони вигнерівського кристала при цьому локалізуються у вузлах муарової надрешітки.
Керуючи напругою на підкладці, шарі графену і бісле WSe2 і WS2, автори змогли домогтися чотирьох різних станів вікнерівського кристала, що відповідають розташуванню одного електрона на один вузол надрешітки, двох електронів на три вузли, одного електрона на три вузли і одного електрона на два вузли. Для кожного з цих станів вони зняли карту тунельної провідності з графенового шару, в якому структура почесерного вигнеровского кристала була видна безпосередньо.
Характерні патерни, отримані на візуалізації, повністю збіглися з очікуваними конфігураціями вигнерівських кристалів, які передбачала теорія. Фізики окремо відзначили стан 1/2, в якому відбувається спонтанне порушення C3 симетрії, і електрони шикуються паралельними рядами.
Вчені описали два можливих механізми впливу впорядкованої електронної щільності в бісле WSe2 і WS2 на властивості локальної електронної структури в графені. Перший механізм пов'язаний зі спотворенням зонної структури графена в точці над муаровим електроном, другий - з впливом голки на самі муарові електрони, коли вона розташовується рівно над ними. Ці ефекти по-різному залежать від напруги між голкою та графеновим шаром. Провівши серію візуалізацій для різних напружень, фізики з'ясували, що другий механізм у їхньому зразку виявляється домінуючим.
Візуалізація вигнерівського кристала з гарною просторовою роздільною здатністю - це важливий крок у дослідженні властивостей конденсованої електронної щільності. Раніше фізикам доводилося отримувати інформацію про них непрямим шляхом. Так, наприклад, вимірюючи провідність, вони побачили перетворення одномірного електронного кристала на зигзагоподібний, а також виміряли його стисканість.