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物理学家在90年后终于捕捉到神秘的维格纳晶体

类别:科技 发布时间:2024-04-13 11:32:00 来源:大可数学人生工作室

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。

物理学家在90年后终于捕捉到神秘的维格纳晶体

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。

物理学家在90年后终于捕捉到神秘的维格纳晶体

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

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