物理学家在90年后终于捕捉到神秘的维格纳晶体

电子是奇妙的小东西。它们经常在围绕原子核的轨道上徘徊，但它们并不是必须的 —— 宇宙中到处都是嘎嘎作响的松散电子。

90年前，理论物理学家尤金·维格纳（Eugene Wigner）提出，他们也不必胡思乱想：自由电子可能在一种根本没有原子的特殊物质中被强迫聚集在一起，这种物质只有电子被它们自己的排斥力困住，形成一个整齐的晶格。

这就是著名的维格纳晶体，物理学家终于获得了它存在的直接观测证据。

普林斯顿大学的物理学家Al Yazdani说：“维格纳晶体是被预测到的最迷人的物质量子相之一，也是许多研究的主题，这些研究声称最多只能找到它形成的间接证据。”

“可视化这种晶体不仅可以让我们看到它的形成，确认它的许多特性，而且我们还可以以过去无法做到的方式研究它。”

晶体指的是原子在固体物质中的排列方式。在典型的晶体材料中，原子以一种在空间中形成重复图案的方式相互结合。

维格纳在1934年的开创性论文中提出，电子可以形成类似的排列，这是由所有电子携带的负电荷产生的相互排斥所辅助的，而不是阻碍的。

他的理论是，在极低的温度和低密度下，电子之间的排斥作用应该会让它们的势能支配它们的变焦需求，导致它们陷入晶格排列。

这些晶体的行为不符合经典物理学，而是符合量子力学，束缚电子的行为不像离散粒子，而是像单个波。各种涉及二维系统的实验，旨在检测这种行为的结果，已经提出了维格纳晶体存在的间接证据，但直接证据的获得有点棘手。

“确实有数百篇科学论文研究了这些效应，并声称这些结果一定是由于维格纳晶体，”Yazdani说，“但人们不能确定，因为这些实验都没有真正看到晶体。”

考虑到这些实验的缺陷，普林斯顿大学物理学家徐彦辰、何敏浩和胡玉文领导的一个团队设计了一个实验，他们希望能解决之前的问题，揭示晶体。

他们使用磁场在石墨烯中诱导出电子维格纳晶体，但不是普通的旧石墨烯。材料必须尽可能地原始，以消除原子缺陷可能产生的任何影响。

制备了两层石墨烯，并将其排列成特定的结构，然后将其冷却到比绝对零度略高的温度。然后，施加磁场来调节夹在两层之间的电子气体的密度。

维格纳晶体有一个电子密度最佳点。如果密度太低，电子就会互相推开它们就会缩小。如果密度太高，电子就会混合成电子液体。

在最佳点，电子会试图相互排斥，但它们的逃逸会被其他电子切断。所以它们会把自己排列成一个网格，尽可能保持它们之间的等距。

为了测量这种晶体相，研究人员使用高分辨率扫描隧道显微镜（STM）来测量它。STM利用量子隧道在原子尺度上探测材料，这是光学显微镜无法达到的。

“在我们的实验中，当我们调整每单位面积的电子数量时，我们可以对系统进行成像。只要改变密度，你就可以启动这种相变，并发现电子自发地形成有序的晶体，”物理学家徐燕珍解释说。

“我们的工作提供了这种晶体的第一个直接图像。我们证明了晶体确实存在，而且我们可以看到它。”

他们的测量结果也证实了将晶格描述为三角形的模型，当被限制在二维空间中时，尽管发现当密度被调整到相当大的程度时，它可以保持稳定 —— 这与之前密度范围必须非常小的理论相矛盾。他们还发现，电子并不占据晶格中的单个点，而是一个模糊的位置范围，称为零点运动。

物理学家Al Yazdani说：“电子，即使被冻结成维格纳晶体，也应该表现出强烈的零点运动。事实证明，这种量子运动覆盖了它们之间距离的三分之一，使维格纳晶体成为一种新型量子晶体。”

研究结果发表在《自然》杂志上。

来自：知新了了