从左上起：电子演变成单个 Wigner 分子的扫描隧道显微镜图像（右下）。图片来源：伯克利实验室

电子通常高速传播，在未束缚的物质中快速移动。在 1930 年代，物理学家尤金·维格纳 （Eugene Wigner） 预测，电子可以在低密度和低温下被哄骗到静止状态，形成电子冰，后来被称为维格纳晶体。

90 年后的 2021 年，由伯克利实验室材料科学系高级教师科学家、加州大学伯克利分校物理学教授 Feng Wang 和 Michael Crommie 领导的团队提供了这些电子晶体存在的直接证据。

现在，Wang、Crommie 和他们的团队已经捕获了电子固体的新量子相 — Wigner 分子晶体的直接图像。他们的研究结果发表在《科学》杂志上。

Wigner 晶体或电子冰的特征是电子的蜂窝状排列，而 Wigner 分子晶体具有由两个或多个电子组成的高度有序的人工“分子”图案。

“我们是第一个直接观察到这个新量子相位的人，这非常出乎意料，”Wang 说。“这非常令人兴奋。”

多年来，科学家们一直试图捕捉 Wigner 分子晶体的直接图像，但他们的进展受到 STM 尖端破坏材料电子构型的趋势的阻碍。

在这项新研究中，伯克利实验室的研究人员通过最小化 STM 尖端的电场来克服这一障碍，这一进步使他们能够看到 Wigner 分子晶体的精细电子结构。

在 Wang 实验室的实验中，他们形成了一种称为“扭曲二硫化钨 （tWS2） 莫尔超晶格“，方法是将原子薄的二硫化钨双层 （WS2） 位于 49 纳米厚的 hBN（六方氮化硼）层和石墨后栅极的顶部。The WS2图层以 58 度的扭曲角度相互堆叠。

使用他们的 STM 技术，他们发现掺杂 tWS2带有电子的莫尔超晶格仅用两个或三个电子填充了材料的每个 10 纳米宽的晶胞。令人惊讶的是，这些填充的晶胞在整个超晶格中形成了一系列莫尔电子分子，从而产生了 Wigner 分子晶体。

“低温以及 tWS 产生的能量潜力2莫尔超晶格将电子局限在局部，“Wang 解释说，并补充说”量子力学和电子-电子相互作用之间的相互作用将局部电子驱动到 Wigner 分子状态。

在未来的实验中，Wang、Crommie 和团队希望使用他们的新 STM 技术来更好地了解这种新的量子相位，并了解它可能导致哪些潜在应用。

更多信息：Hongyuan Li 等人，来自多电子莫尔人造原子的 Wigner 分子晶体，科学 （2024）。DOI：10.1126/science.adk1348。在 arXiv 上： DOI： 10.48550/arxiv.2312.07607

期刊信息： arXiv ， Science