冷冻电子的量子晶体维格纳晶体首次被可视化

尽管科学家们对电子的研究已经有一个多世纪了，但电子——已知在原子周围运动的无限小粒子——仍然让科学家们感到惊讶。现在，普林斯顿大学的物理学家首次通过可视化观察所谓的维格纳晶体(一种完全由电子组成的奇怪物质)的直接证据，突破了我们对这些微小粒子的理解界限。

这项发表在《自然》杂志上的发现证实了一个90年前的理论，即电子可以自行组装成类似晶体的结构，而不需要在原子周围聚结。这项研究可能有助于发现电子集体行为时物质的新量子相。

詹姆斯·S·麦克唐纳杰出大学的阿尔·亚兹达尼(AlYazdani)表示：“维格纳晶体是已预测的最令人着迷的物质量子相之一，也是众多研究的主题，声称最多只能找到其形成的间接证据。”普林斯顿大学物理学教授，也是该研究的资深作者。“可视化这种晶体不仅可以让我们观察它的形成，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。”

20世纪30年代，普林斯顿大学物理学教授、1963年诺贝尔奖获得者尤金·维格纳(EugeneWigner)写了一篇论文，提出了当时具有革命性的想法，即电子之间的相互作用可能导致它们自发排列成紧密堆积的电子的类似晶体的结构或晶格。他推测，这种情况只有在低密度和极冷温度的条件下才会发生，因为它们相互排斥。

“当你想到晶体时，你通常会认为原子之间的吸引力是一种稳定力，但这种晶体的形成纯粹是因为电子之间的排斥力，”普林斯顿量子研究所的首任联合主任亚兹达尼说。普林斯顿复杂材料中心主任。

然而，很长一段时间以来，维格纳的奇怪电子晶体仍然停留在理论领域。直到一系列后来的实验，电子晶体的概念才从猜想转变为现实。第一个实验是在20世纪70年代进行的，当时新泽西州贝尔实验室的科学家通过将电子喷射到氦表面创建了一种“经典”电子晶体，并发现它们像晶体一样以刚性方式响应。

然而，这些实验中的电子相距很远，并且表现得更像单个粒子而不是内聚结构。真正的维格纳晶体不会遵循日常生活中熟悉的物理定律，而是遵循量子物理定律，其中电子的行为不像单个粒子，而更像单个波。

这导致了接下来几十年的一系列实验，提出了制造量子维格纳晶体的各种方法。这些实验在20世纪80年代和90年代取得了很大进展，当时物理学家发现了如何使用半导体将电子的运动限制在原子薄层内。

对这种层状结构施加磁场也会使电子绕圈移动，为结晶创造有利的条件。然而，这些实验从未能够直接观察晶体。他们只能暗示它的存在或从电子如何流经半导体来间接推断它。

亚兹达尼说：“实际上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维格纳晶体造成的，但我们无法确定，因为这些实验都没有真正看到这种晶体。”

亚兹达尼指出，一个同样重要的考虑因素是，一些研究人员认为维格纳晶体的证据可能是实验中使用的材料固有的缺陷或其他周期性结构的结果。

“如果材料中存在任何缺陷或某种形式的周期性子结构，就有可能捕获电子并找到实验特征，这些特征不是由于自组织有序维格纳晶体本身的形成，而是由于电子“卡住”由于材料的结构，接近缺陷或被困住，”他说。

考虑到这些因素，Yazdani和他的研究团队开始研究是否可以使用扫描隧道显微镜(STM)直接对维格纳晶体进行成像，这种设备依靠一种称为“量子隧道”的技术而不是光来观察维格纳晶体。原子和亚原子世界。

他们还决定使用石墨烯，这是一种在21世纪发现的令人惊奇的材料，已被用于许多涉及新颖量子现象的实验中。然而，为了成功地进行实验，研究人员必须使石墨烯尽可能原始且没有缺陷。这是消除由于材料缺陷而形成任何电子晶体的可能性的关键。

结果令人印象深刻。亚兹达尼说：“我们的团队已经能够制造出前所未有的干净样本，使这项工作成为可能。”“通过我们的显微镜，我们可以确认样品的石墨烯原子晶格中没有任何原子缺陷，也没有在其表面上具有数十万个原子的区域中存在外来原子。”

为了制造纯石墨烯，研究人员剥离了两片石墨烯碳片，其结构称为伯纳尔堆叠双层石墨烯(BLG)。然后，他们将样品冷却到极低的温度(仅比绝对零度高几分之一)，并施加垂直于样品的磁场，从而在石墨烯薄层内形成二维电子气系统。这样，他们就可以调整两层之间的电子密度。

“在我们的实验中，我们可以在调整每单位面积的电子数量时对系统进行成像，”物理学研究生、该论文的第一作者Yen-ChenTsui说。“仅仅通过改变密度，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。”

Tsui解释说，发生这种情况是因为在低密度下，电子彼此相距很远，而且它们以无序、无组织的方式排列。然而，随着密度的增加，电子之间的距离变得更近，它们的自然排斥倾向就会开始发挥作用，并开始形成有组织的晶格。然后，当密度进一步增加时，结晶相将熔化成电子液体。

博士后研究员、该论文的共同第一作者何敏浩更详细地解释了这一过程。“电子之间存在固有的排斥力，”他说。“它们想要互相推开，但与此同时，由于密度有限，电子不能无限地分开。结果是它们形成一个紧密堆积的、规则化的晶格结构，每个局域电子占据一定的数量。的空间。”

当这种转变形成时，研究人员能够使用STM将其可视化。“我们的工作提供了这种晶体的第一张直接图像。我们证明了这种晶体确实存在，而且我们可以看到它，”徐说。

然而，仅仅观察晶体并不是实验的结束。晶体的具体图像使他们能够区分晶体的一些特征。他们发现晶体的结构是三角形的，并且它可以随着颗粒的密度不断调整。这导致人们认识到维格纳晶体实际上在很长的范围内相当稳定，这一结论与许多科学家的猜测相反。

亚兹达尼说：“通过连续调整其晶格常数，实验证明晶体结构是电子之间纯粹排斥的结果。”

研究人员还发现了其他一些有趣的现象，这些现象无疑值得未来进一步研究。他们发现，每个电子在晶格中定位的位置在图像中出现一定程度的“模糊”，就好像该位置不是由点定义的，而是由电子被限制在晶格中的范围位置定义的。。论文将其描述为电子的“零点”运动，这种现象与海森堡测不准原理有关。这种模糊的程度反映了维格纳晶体的量子性质。

亚兹达尼说：“电子即使被冻结在维格纳晶体中，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。”

亚兹达尼和他的团队还在研究维格纳晶体如何熔化并转变为磁场中相互作用的电子的其他奇异液相。研究人员希望对这些相进行成像，就像他们对维格纳晶体进行成像一样。