इस सफलता की कुंजी एक परिष्कृत लेकिन सुरुचिपूर्ण प्रयोगात्मक सेटअप में निहित है। बेसल विश्वविद्यालय में प्रोफेसर टॉमस स्मोलेंस्की के नेतृत्व में टीम ने टंगस्टन डाइसेलेनाइड (WSe₂) की एक एकल परमाणु परत का एक बेदाग नमूना तैयार किया, जो एक ट्रांज़िशन मेटल डाइचल्कोजेनाइड है ।
विग्नर क्रिस्टल बनाने के लिए, उन्होंने इस मोनोलेयर को केवल 1.6 केल्विन (लगभग -272°C) के अत्यधिक तापमान पर ठंडा किया और सामग्री के भीतर इलेक्ट्रॉनों की संख्या को सटीक रूप से नियंत्रित किया । इसके बाद उन्होंने नमूने को एक सुपरकॉन्टिन्यूम लेज़र से रोशन किया और कन्फोकल ज्योमेट्री का उपयोग करके परावर्तित प्रकाश में सूक्ष्म परिवर्तनों को मापा ।
रिफ्लेक्टेंस कंट्रास्ट स्पेक्ट्रा - लेज़र की तरंगदैर्ध्य, इलेक्ट्रॉन घनत्व और तापमान के साथ परावर्तित प्रकाश की मात्रा कैसे बदलती है - का सावधानीपूर्वक विश्लेषण करके, उन्होंने नए, अप्रत्याशित ऑप्टिकल अनुनादों का पता लगाया । ये संकेत केवल एक नए प्रकार के क्वासिपार्टिकल: विग्नर क्रिस्टल पोलरॉन के निर्माण से ही समझाए जा सकते थे ।
एक पारंपरिक क्रिस्टल में, एक पोलरॉन एक इलेक्ट्रॉन होता है जो अपने चारों ओर परमाणु जाली को विकृत कर देता है। इस क्वांटम मामले में, स्थिति उलट और कहीं अधिक विचित्र है। एक विग्नर क्रिस्टल पोलरॉन तब बनता है जब एक एक्सिटोन (एक फोटॉन द्वारा बनाए गए इलेक्ट्रॉन और 'होल' की एक बंधी हुई अवस्था) विग्नर क्रिस्टल की पूरी तरह से व्यवस्थित इलेक्ट्रॉन जाली के साथ संपर्क करता है । एक्सिटोन की उपस्थिति आसपास के इलेक्ट्रॉन जाली को विकृत कर देती है, और एक्सिटोन क्रिस्टल के सामूहिक कंपन - इसके इलेक्ट्रॉनिक फोनॉन - द्वारा 'सज्जित' हो जाता है । यह एक संकर, प्रकाश-पदार्थ क्वासिपार्टिकल बनाता है।
TUM में प्रो. माइकल नैप के नेतृत्व में विकसित एक सैद्धांतिक मॉडल ने पुष्टि की कि देखे गए ऑप्टिकल अनुनाद इन विग्नर क्रिस्टल पोलरॉन के प्रत्यक्ष हस्ताक्षर थे ।
विग्नर क्रिस्टल पोलरॉन का निर्माण सिर्फ एक नया क्वासिपार्टिकल नहीं है; यह एक नया उपकरण है। इस अध्ययन की खोजें दृढ़ता से सहसंबद्ध इलेक्ट्रॉन प्रणालियों का अध्ययन करने की हमारी क्षमता को मौलिक रूप से बदल देती हैं:
विग्नर क्रिस्टल पोलरॉन अत्यधिक संवेदनशील ऑप्टिकल सेंसर के रूप में कार्य करते हैं। उनके ऊर्जा स्तर न केवल इलेक्ट्रॉनों की स्थिर व्यवस्था (जाली स्थिरांक) से निर्धारित होते हैं, बल्कि क्रिस्टल के आकर्षक पोलरॉन के साथ एक्सिटोन की बातचीत और इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन इंटरैक्शन की ताकत से भी आकार लेते हैं । इसका मतलब है कि वे जिस प्रकाश को अवशोषित और उत्सर्जित करते हैं, वह इलेक्ट्रॉन कैसे चलते हैं इसके बारे में सीधी जानकारी देता है ।
इन पोलरॉनिक अनुनादों का उपयोग करके, टीम विग्नर क्रिस्टल के तापमान-घनत्व चरण आरेख (Phase diagram) को मैप करने में सक्षम थी। उन्होंने एक गुंबद के आकार की चरण सीमा की पहचान की, जिसमें उच्च तापमान पर क्रिस्टल अवस्था अधिक पारंपरिक इलेक्ट्रॉन तरल का रास्ता देती है। उन्होंने लगभग 30 K का एक क्रांतिक तापमान पाया - जो अन्य सामग्रियों में देखे गए तापमान से लगभग तीन गुना अधिक है, जिसे शोधकर्ता क्रिस्टल जाली के भीतर विकार (Disorder) को स्थिर करने के लिए जिम्मेदार मानते हैं ।
सबसे आश्चर्यजनक रूप से, पोलरॉन विग्नर क्रिस्टल की स्पिन अवस्था के लिए एक ऑप्टिकल इंटरफ़ेस प्रदान करते हैं। टीम ने प्रदर्शित किया कि वे न केवल बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के साथ, बल्कि पूरी तरह से प्रकाश के साथ भी क्रिस्टल के स्पिन ध्रुवीकरण को पढ़ और नियंत्रित कर सकते हैं । यह भविष्य की क्वांटम तकनीकों के लिए असाधारण संभावनाएं खोलता है, जहां संपूर्ण इलेक्ट्रॉन क्रिस्टल की सामूहिक स्पिन अवस्था पर जानकारी लिखी और पढ़ी जा सकती है।
यह कार्य परमाणु रूप से पतले अर्धचालकों, जैसे WSe₂, को इलेक्ट्रॉनों के सामूहिक, अनेक-कण भौतिकी (Many-body physics) की कल्पना करने के लिए एक शक्तिशाली नया मंच स्थापित करता है। विग्नर क्रिस्टल पोलरॉन की खोज एक पूरी तरह से इलेक्ट्रॉनिक क्रिस्टल की आंतरिक क्वांटम गतिशीलता में एक प्रत्यक्ष स्पेक्ट्रोस्कोपिक खिड़की प्रदान करती है, एक ऐसा क्षेत्र जो पहले पूरी तरह से दुर्गम था । प्रकाश को इन छिपी हुई गतिविधियों की जांच में बदलकर, शोधकर्ताओं ने न केवल विग्नर क्रिस्टल की प्रकृति के बारे में एक मौलिक प्रश्न हल किया है, बल्कि अन्य दृढ़ता से सहसंबद्ध चरणों की खोज करने और संभावित रूप से उन्हें क्वांटम सूचना प्रसंस्करण के लिए उपयोग करने का मार्ग भी प्रशस्त किया है।