Licht enthüllt erstmals die verborgene Dynamik eines Wigner-Kristalls

Elektronen gelten eigentlich als bewegliche Teilchen. Unter extremen Bedingungen können sie sich jedoch so stark gegenseitig beeinflussen, dass sie sich regelmäßig anordnen – fast wie Atome in einem Kristall. Physiker sprechen dann von einem Wigner-Kristall.

Solche exotischen Elektronenkristalle sind bereits seit Längerem bekannt. Doch wie sich die Elektronen darin gemeinsam bewegen und auf äußere Einflüsse reagieren, ließ sich bislang nur schwer untersuchen. Forschende der Universität Basel und der Technischen Universität München (TUM) haben nun einen neuen Zugang gefunden: Sie machen die innere Dynamik des Wigner-Kristalls mit Licht sichtbar.

Für ihre Experimente nutzten die Forschenden eine nur eine Atomlage dünne Schicht aus Wolframdiselenid, kurz WSe₂. Das Material wurde auf Temperaturen bis hinunter zu 1,6 K abgekühlt. Die Ergebnisse sind in „Nature Physics“ erschienen.

Wenn sich Elektronen selbst zum Kristall ordnen

In einem gewöhnlichen Kristall sitzen Atome oder Moleküle in einer regelmäßigen Struktur. Beim Wigner-Kristall übernehmen die Elektronen selbst diese Rolle.

Der Grund ist ihre elektrische Abstoßung. Elektronen tragen alle die gleiche negative Ladung und stoßen sich deshalb gegenseitig ab. Bei sehr niedrigen Temperaturen und einer passenden Elektronendichte kann diese Wechselwirkung so stark werden, dass sich die Elektronen möglichst gleichmäßig verteilen und eine geordnete Struktur bilden.

Dabei darf man sich den Wigner-Kristall allerdings nicht als starres Gitter aus unbeweglichen Elektronen vorstellen. Er bleibt ein Quantensystem. Die Elektronen beeinflussen sich gegenseitig und können gemeinsam schwingen oder andere kollektive Bewegungen ausführen. Gerade diese gemeinsame Dynamik war bisher schwer zugänglich.

Licht wird zur Sonde für den Elektronenkristall

Das Team um Tomasz Smoleński von der Universität Basel untersuchte deshalb, wie der Wigner-Kristall auf Licht reagiert. Trifft Licht auf das nur atomar dünne Material, können sogenannte Exzitonen entstehen. Dabei wird ein Elektron angeregt und hinterlässt ein positiv wirkendes „Loch“. Elektron und Loch bleiben miteinander verbunden und bilden gemeinsam ein Quasiteilchen.

Diese Exzitonen reagieren wiederum auf den Elektronenkristall. Sie koppeln an dessen kollektive Bewegungen. Dabei entstehen neue hybride Zustände, die die Forschenden als Wigner-Kristall-Polaronen bezeichnen.

Wigner-Kristall: 90 Jahre bis zum Blick ins Innere

• 1934: Der Physiker Eugene Wigner sagt voraus, dass sich Elektronen aufgrund ihrer gegenseitigen Abstoßung zu einer regelmäßigen Struktur anordnen können.
• Ab den 1970er-Jahren: Experimente liefern Hinweise auf Elektronenkristalle. Später werden Wigner-Kristalle in verschiedenen zweidimensionalen Systemen indirekt über ihre elektrischen und optischen Eigenschaften nachgewiesen.
• 2024: Ein Team der Princeton University bildet einen Wigner-Kristall erstmals direkt mit einem Rastertunnelmikroskop ab. Die Elektronen bilden dabei ein dreieckiges Gitter.
• 2026: Forschende aus Basel und München weisen erstmals optisch kollektive Vielteilchenanregungen eines Wigner-Kristalls ohne externes Magnetfeld nach. Damit wird nicht mehr nur seine Struktur, sondern auch seine Quantendynamik zugänglich.

.

Der entscheidende Vorteil: Diese Zustände hinterlassen messbare Spuren im reflektierten Licht. Die Forschenden können damit nicht mehr nur erkennen, dass sich ein Wigner-Kristall gebildet hat. Sie erhalten auch Informationen darüber, was innerhalb des Kristalls geschieht.

„Unsere Messungen zeigen, dass Licht mehr kann, als nur die Anwesenheit dieses exotischen Zustands nachzuweisen – es kann zeigen, wie sich der Zustand im Inneren verhält“, erklärt Erstautor Lujun Wang von der Universität Basel.

Die Elektronen verraten ihre Bewegung im Lichtspektrum

Bereits frühere optische Messverfahren konnten Hinweise auf die regelmäßige Struktur eines Wigner-Kristalls liefern. Aus bestimmten Resonanzen lässt sich beispielsweise abschätzen, wie weit die Elektronen voneinander entfernt sind. Die neuen Messungen gehen einen Schritt weiter.

Die zusätzlichen Resonanzen im Lichtspektrum hängen davon ab, wie stark die Exzitonen mit den gemeinsamen Bewegungen der Elektronen gekoppelt sind. Das reflektierte Licht liefert damit Informationen über die Dynamik des gesamten Elektronensystems.

Genau darin liegt der Fortschritt: Die Forschenden beobachten nicht nur die räumliche Ordnung der Elektronen, sondern erhalten einen experimentellen Zugang zu ihren kollektiven Quantenzuständen.

Auch der Spin wird sichtbar

Noch eine weitere Eigenschaft hinterlässt Spuren im Lichtspektrum: der Spin der Elektronen. Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft, die sich vereinfacht mit einem winzigen magnetischen Moment vergleichen lässt. Die Forschenden konnten den Spin-Zustand des Wigner-Kristalls sowohl mit einem äußeren Magnetfeld als auch mit zirkular polarisiertem Licht verändern.

Dabei veränderten sich auch die optischen Resonanzen. Die Wigner-Kristall-Polaronen liefern damit nicht nur Informationen über die Bewegung der Elektronen, sondern auch über ihren Spin-Zustand.

Um die Ergebnisse zu erklären, entwickelte das Team um Michael Knap von der TUM ein theoretisches Modell. Es beschreibt, wie die lichtinduzierten Exzitonen an die kollektiven Anregungen des Elektronenkristalls koppeln und dadurch die beobachteten Resonanzen entstehen.

Ein neues Werkzeug für ungewöhnliche Quantenzustände

Eine direkte technische Anwendung ergibt sich aus der Studie noch nicht. Der Fortschritt liegt zunächst in der Messtechnik. Wigner-Kristalle gehören zu den sogenannten stark korrelierten Systemen. Das bedeutet: Das Verhalten einzelner Elektronen lässt sich nicht isoliert betrachten. Erst das Zusammenspiel vieler Teilchen erzeugt die besonderen Eigenschaften des Materials.

Solche Systeme sind für die Festkörperphysik besonders interessant – und zugleich schwer zu untersuchen. Atomar dünne Materialien wie Wolframdiselenid könnten dafür künftig eine besonders geeignete Plattform sein. Ihre elektronischen Eigenschaften lassen sich gezielt einstellen, während Licht gleichzeitig als empfindliche Sonde für Vorgänge im Inneren dient.