Nøglen til gennembruddet ligger i et sofistikeret, men elegant eksperimentelt setup. Holdet, ledet af professor Tomasz Smoleński ved University of Basel, skabte en yderst ren prøve af et enkelt atomlag af wolframdiselenid (WSe₂), et såkaldt overgangsmetal-dichalkogenid .
For at skabe Wigner-krystallen afkølede de dette monolag til en ekstrem temperatur på kun 1,6 Kelvin (ca. -272°C) og justerede præcist antallet af elektroner i materialet . Derefter belyste de prøven med en superkontinuumslaser og målte de subtile ændringer i det reflekterede lys ved hjælp af en konfokal geometri .
Ved omhyggeligt at analysere reflektanskontrastspektrene – hvordan mængden af reflekteret lys ændrede sig med laserens bølgelængde, elektrontæthed og temperatur – opdagede de nye, uventede optiske resonanser . Disse signaler kunne kun forklares ved dannelsen af en ny type kvasi-partikel: Wigner-krystal-polaronen .
I en konventionel krystal er en polaron en elektron, der forvrænger sit omgivende atomare gitter. I dette kvantetilfælde er situationen vendt på hovedet og langt mere eksotisk. En Wigner-krystal-polaron dannes, når en exciton (en bundet tilstand af en elektron og et 'hul' skabt af en foton) interagerer med det perfekt ordnede elektrongitter i Wigner-krystallen . Excitonens tilstedeværelse forvrænger det omgivende elektrongitter, og excitonen bliver 'klædt på' af krystallens kollektive vibrationer – dens elektroniske fononer . Dette skaber en hybrid lys-materie kvasi-partikel.
En teoretisk model udviklet ved TUM, ledet af professor Michael Knap, bekræftede, at de observerede optiske resonanser var et direkte fingeraftryk af disse Wigner-krystal-polaroner .
Dannelsen af Wigner-krystal-polaroner er mere end bare en ny kvasi-partikel; det er et nyt værktøj. Opdagelserne i denne undersøgelse ændrer fundamentalt vores evne til at studere stærkt korrelerede elektronsystemer:
Wigner-krystal-polaroner fungerer som ekstremt følsomme optiske sensorer. Deres energiniveauer bestemmes ikke kun af den statiske arrangement af elektroner (gitterkonstanten), men også af excitonens interaktion med krystallens attraktive polaroner og styrken af elektron-elektron-interaktionerne . Det betyder, at det lys, de absorberer og udsender, bærer direkte information om hvordan elektronerne bevæger sig .
Ved hjælp af disse polaro-resonanser var holdet i stand til at kortlægge temperatur-densitet fasediagrammet for Wigner-krystallen. De identificerede en kuppelformet fasegrænse, hvor krystaltilstanden viger for en mere konventionel elektronvæske ved højere temperaturer. De fandt en kritisk temperatur på omkring 30 K – cirka tre gange højere end observeret i andre materialer, hvilket forskerne tilskriver uorden i krystalgitteret, som stabiliserer den skrøbelige tilstand .
Mest bemærkelsesværdigt giver polaronerne en optisk grænseflade til spin-tilstanden i Wigner-krystallen. Holdet demonstrerede, at de kunne aflæse og kontrollere krystallens spin-polarisation, ikke kun med et eksternt magnetfelt, men også rent optisk . Dette åbner ekstraordinære muligheder for fremtidige kvanteteknologier, hvor information kunne skrives til og læses fra den kollektive spin-tilstand i hele elektronkrystallen.
Dette arbejde etablerer atomtynde halvledere, som WSe₂, som en kraftfuld ny platform til at visualisere elektronernes kollektive mange-partikel-fysik. Opdagelsen af Wigner-krystal-polaroner giver et direkte spektroskopisk vindue ind i den interne kvantedynamik af en ren elektronisk krystal – et regime, der tidligere var fuldstændig utilgængeligt . Ved at gøre lyset selv til en probe af disse skjulte bevægelser har forskerne ikke blot besvaret et grundlæggende spørgsmål om Wigner-krystallernes natur, men også lagt grundstenen til at udforske andre stærkt korrelerede faser og potentielt udnytte dem til kvanteinformationsbehandling.