奇异的晶体

在通常情况下，材料中的电子表现得就像是无序的液体。但在1934年，诺奖得主尤金·维格纳（Eugene Wigner）基于量子力学做出了一个革命性的理论预测：在极低的温度和密度条件下，电子之间的相互斥力会使它们自发形成一种紧密排列的晶体结构（晶格）。种结构被称为维格纳晶体。

材料中的电子通常表现为无序液体（左），但在特定条件下可以形成规则的维格纳晶体（右）。（图/ETH Zurich）

然而，这个概念听起来简单，证明起来却异常艰难。在过去近90年时间里，物理学家尝试了用各种方法来制造维格纳晶体，但这些实验并无法真正证实维格纳的预测，只能间接地表明维格纳晶体的存在。

现在，在一项于近期发表在《自然》杂志的研究中，一组物理学家实现了对维格纳晶体的直接成像，首次证实了维格纳在90年前做出的理论预测，突破了对电子的理解边界。

漫长的寻找之路

众所周知，电子是在原子周围移动的微小带电粒子。虽然科学家对于电子的研究已经持续了一个多世纪，但它们仍然蕴藏着无限的惊喜。维格纳晶体就是一种完全由电子组成的奇异物质。

在很长一段时间里，维格纳晶体只停留在理论层面。直到后来的一些实验，才让这种电子晶体的概念才从猜想变成了现实。

第一个实验是在20世纪70年代进行的。当时，贝尔实验室的科学家通过在氦表面喷洒电子，创造了一个“经典的”电子晶体。不过，这种晶体中的电子相距很远，表现得更像单个的粒子，而不是一个有内聚力的结构。真正的维格纳晶体，是不会遵循日常世界中那些熟悉的物理定律的，而是遵循奇异的量子物理定律。它们的行为不会像单个粒子，而是更像单个波。

在上世纪80年代和90年代，物理学家在探寻维格纳晶体的研究中取得了很大进展。当时，物理学家发现了如何利用半导体将电子的运动限制在原子薄层内。通过在这些层状结构上施加磁场使电子绕圈运动，可以为维格纳晶体的形成创造有利条件。但是，这些实验从来没能直接观测到维格纳晶体，它们只能通过电子流过半导体的方式，推断这种晶体的存在。

另外，普林斯顿大学的物理学教授Ali Yazdani还指出，过去一些被认为是证明维格纳晶体存在的证据，实际上可能是由实验所使用的材料的固有缺陷或其他周期性子结构所造成的。因为电子有可能“卡在”缺陷附近，或被材料的周期性子结构所捕获，进而表现出一些有序的特征，但这些特征并不是由维格纳晶体导致的。

看见维格纳晶体

在新的研究中，Yazdani与他的合作者决定利用扫描隧道显微镜（STM），在一种神奇的材料——石墨烯中，对维格纳晶体进行直接成像。STM是一种依赖于“量子隧穿”效应的设备，它无需依靠光来观测原子和亚原子世界。

在实验中，为了消除任何由材料缺陷而形成的电子晶体的可能性，研究人员必须尽可能地使用未受损的、没有缺陷的石墨烯样本。为此，他们剥离了两层石墨烯碳片，制作出了一种被称为贝尔纳重叠式双层石墨烯（BLG）的结构。在STM的帮助下，他们确认了在这些石墨烯的原子晶格中不存在任何缺陷。

然后，他们将这些双层石墨烯冷却到接近绝对零度的极低温度，并在垂直方向上对样品施加了一个磁场，从而在石墨烯薄层内创造了一个二维电子气系统。如此一来，他们就可以调整两层石墨烯之间的电子密度。

每当单位面积内的电子数被调整时，研究人员就可以用STM对这个电子气系统进行成像。这是因为在低密度的情况下，电子彼此相距很远，因此它们会处于一种无序的、无组织的状态。当密度增加时，电子会靠得更近，它们的自然斥力就会发挥作用，使它们开始形成一个有组织的晶格。如果进一步增加密度，晶体相就会“融化”成电子液体。

最终，研究人员获得了维格纳晶体的第一个直接图像，证明了维格纳晶体确实存在！通过不断调整晶格常数，研究人员证实了，维格纳晶体的结构纯粹是电子间斥力的结果。

STM拍摄的三角形的维格纳晶体图像。每个蓝色的圆形区域包含单个的局域电子。（图/Yen-Chen Tsui and team, Princeton University）

但是，研究人员并没有止步于看到这种晶体。根据晶体的具体图像，研究人员区分出了这种晶体的一些特征。他们发现，这种维格纳晶体的结构是三角形的，并且可以随电子的密度而不断调整。这让他们意识到，维格纳晶体在长程范围内都是相当稳定的，这与许多科学家的猜测相反。

进一步的研究

此外，他们还发现了一些有待进一步研究的现象。例如，他们发现每个电子在晶格中的位置，都在图像中出现了一定程度的“模糊”，就好像这个位置的定位不是由一个点定义的，而是由电子被限制在晶格中的范围定义的。在论文中，研究人员将这种现象描述为电子的“零点”运动，这是一种与海森堡的不确定性原理有关的现象。这种模糊性体现了维格纳晶体的量子属性。

现在，研究人员也在研究维格纳晶体是如何在磁场中融化并转变成电子相互作用的其他奇异液相的。研究人员希望未来他们也能对这些相进行成像。

参考来源：

https://research.princeton.edu/news/quantum-crystal-frozen-electrons%E2%80%94-wigner-crystal%E2%80%94-visualized-first-time

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07212-7

封面图&首图来源：Yen-Chen Tsui and team, Princeton University