量子电子晶体的首次可视化最终证明它们的存在

预测的维格纳晶体的证实表明排斥力可以像吸引力一样维持秩序。

由扫描隧道显微镜拍摄的三角形维格纳晶体的图像。这代表纯粹由电子的排斥性质形成的晶体。每个蓝色圆圈包含一个局域电子

图片来源：Yen-Chen Tsui，普林斯顿大学

一种被称为维格纳晶体的奇异材料首次被可视化，这种材料仅由电子形成。这些听起来不可思议的晶体以前曾有人声称拥有，但从未得到直接证实。这些图像不仅证明了它的存在，还揭示了这种奇怪晶体性质的意想不到的方面。

材料由质子、电子以及中子组成，因为它们之间的吸引力是稳定性所必需的。然而，在 20 世纪 30 年代，尤金·维格纳 (Eugene Wigner) 预测，在适当的情况下，排斥力在维持秩序方面可以和吸引力一样有效。你可以得出自己的结论来判断这在人类事务中是否属实——但九十年后，我们终于知道维格纳关于晶格结构的看法是正确的。

如果没有质子的介入来吸引它们，电子将尝试尽可能远离。在大多数情况下，这会导致它们分开。然而，如果能找到某种方法来维持电子的密度，它们就会以规则的间隔排列，以保持彼此之间尽可能远的距离。 

想象一下一群互不喜欢的人被困在一个房间里。他们想要离左边的人更远，但这意味着离右边的人更近，所以他们保持严格的顺序：即水晶。

理论家提出，当电子之间的电势能比其动能大 40 倍以上时，就会存在所谓的维格纳晶体。由于结合低温和合适的磁场可以降低动能，因此这是可测试的。

经典维格纳晶体是 20 世纪 70 年代通过在氦表面喷射电子而制成的。然而，这些电子彼此距离如此之远，以至于它们更像是孤立的粒子，因此并不是特别有趣。物理学家对于利用量子行为将电子晶体紧密地包裹起来，使电子表现出波状的凝聚力感到更加兴奋。

通过将电子捕获在只有几个原子厚的半导体层中，物理学家创造了被怀疑是维格纳晶体的东西，但很难证明这一点。在这些情况下，电子按照维格纳晶体理论上应有的方式对磁场作出反应，但一切发生的规模太小而无法看到。此外，晶体缺陷可能会产生类似的行为。

普林斯顿大学教授阿里·亚兹达尼 (Ali Yazdani) 在一份声明中表示：“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。” “但我们不能确定，因为这些实验都没有真正看到晶体。 ”

通过尽可能一致地将碳原子连接到两个石墨烯片中，亚兹达尼和同事减少了缺陷产生类似维格纳行为的危险。然后他们用扫描隧道显微镜（STM）对材料进行扫描以确认他们的工作。

只需改变密度，您就可以启动这种相变，并发现电子自发形成有序晶体。

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。 ”

然后将石墨烯片冷却至绝对零以上不到一度，并放置在与样品成直角的磁场中，在石墨烯片之间产生一个电子厚的电子气。

“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，”研究生 Yen-Chen Tsui 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。 ”

当密度较低时，来自相邻电子的力足够小，以至于其他因素会占据主导地位，并且电子会混乱地排列自己。然而，当电子被挤压在一起时，它们的排斥力迫使它们形成有序的晶格，当密度或温度进一步增加时，晶格就会变成电子液体。

Tsui 表示，可以通过 STM 来观察从晶体到液体的转变。 “我们的工作提供了这种晶体的第一张直接图像。我们证明了晶体确实存在并且我们可以看到它。 ”

该晶体具有三角形结构，虽然它可以随着密度的调整而调整，但事实证明，仅靠斥力就可以使其在各种条件下保持稳定，这与预期相反。

量子力学的一个关键特征是，像电子这样的亚原子粒子在一系列位置上以概率曲线的形式存在，而不是有一个精确的位置。这个范围被称为电子的零点运动，因为它在没有升高能级的情况下发生，在观察时会导致晶体电子位置的模糊。 

亚兹达尼说，该团队能够测量这种模糊的程度； “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。 ”

第一个维格纳晶体可视化的描述已在《自然》杂志上公开发表。