普林斯顿大学的突破性研究让冷冻电子重获新生

扫描隧道显微镜拍摄的三角形维格纳晶体图像。研究人员揭示了一种难以捉摸的晶体，它完全是由电子的斥力性质形成的。每个位点（蓝色圆形区域）都包含一个局部电子。资料来源：普林斯顿大学徐彦辰及团队

现在，普林斯顿大学的物理学家突破了我们对这些微小粒子理解的界限，首次以可视化的方式直接证明了所谓的维格纳晶体--一种完全由电子构成的奇特物质。

这一发现发表在 4 月 11 日出版的《自然》（Nature）杂志上，证实了一个已有 90 年历史的理论，即电子可以自行组合成类似晶体的形态，而无需围绕原子凝聚。这项研究可能有助于发现电子集体行动时物质的新量子相。

理论见解和早期实验

"维格纳晶体是已被预言的最迷人的物质量子相之一，也是众多研究的主题，这些研究声称最多只能找到其形成的间接证据，"普林斯顿大学詹姆斯-S-麦克唐奈尔杰出大学物理教授、该研究的资深作者阿尔-亚兹达尼（Al Yazdani）说。"可视化这种晶体不仅能让我们观察它的形成，证实它的许多特性，还能以过去无法实现的方式对它进行研究。"

20 世纪 30 年代，因研究量子对称原理而获得 1963 年诺贝尔奖的普林斯顿大学物理学教授尤金-维格纳（Eugene Wigner）撰写了一篇论文，提出了当时具有革命性意义的观点，即电子之间的相互作用会导致它们自发地排列成类似晶体的构型，即由紧密排列的电子组成的晶格。根据他的理论，只有在低密度和极低温条件下，由于电子间的相互排斥作用，才会出现这种情况。

亚兹达尼是普林斯顿量子研究所的首任联合所长兼普林斯顿复杂材料中心主任，他说："当你想到晶体时，通常会想到原子间的吸引力是一种稳定力，但这种晶体的形成纯粹是由于电子间的斥力。"

视频描述了电子维格纳晶体熔化成电子液相的过程。随着电子密度（\nu，磁场中电子数量的度量，通过施加电压来控制）的增加，更多的电子（深蓝色点）进入视野，出现了三角形晶格的周期性结构。周期性结构首先被融化（在 \nu = 0.334 附近），在那里地图显示出均匀的信号。然后，它在密度更高的 \nu 处再次出现，并最终再次融化（\nu = 0.414）。资料来源：普林斯顿大学，徐彦辰

电子晶体研究的进展

然而，在很长一段时间里，维格纳的奇异电子晶体仍停留在理论领域。直到后来的一系列实验，电子晶体的概念才从猜想变成现实。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在氦表面喷射电子，制造出了一种"经典"电子晶体，并发现它们的反应就像晶体一样僵硬。然而，这些实验中的电子之间相距甚远，其行为更像是单个粒子，而不是一个内聚结构。真正的维格纳晶体不是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，而更像单一的波。

因此，在接下来的几十年里，人们进行了一系列实验，提出了制造量子维格纳晶体的各种方法。20 世纪 80 年代和 90 年代，物理学家发现了如何利用半导体将电子运动限制在原子薄层中，从而大大推进了这些实验。对这种层状结构施加磁场也会使电子做圆周运动，为结晶创造有利条件。但是，这些实验从未能够直接观察到晶体。他们只能暗示晶体的存在，或根据电子在半导体中的流动方式间接推断晶体的存在。

直接成像的突破

"简直有数百篇科学论文都在研究这些效应，并声称这些结果一定是维格纳晶体造成的，"亚兹达尼说，"但我们无法确定，因为这些实验都没有真正看到晶体。"

亚兹达尼指出，一个同样重要的考虑因素是，一些研究人员认为是维格纳晶体的证据，可能是实验所用材料的缺陷或其他固有的周期性结构造成的。他说："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发现实验特征，而这些特征并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'在缺陷附近或由于材料的结构而被捕获。"

考虑到这些因素，亚兹达尼和他的研究团队开始研究他们能否利用扫描隧道显微镜（STM）直接对维格纳晶体进行成像，这种设备依靠一种名为"量子隧道"的技术而不是光来观察原子和亚原子世界。他们还决定使用石墨烯，这是一种在 21 世纪发现的神奇材料，已被用于许多涉及新量子现象的实验中。不过，为了成功进行实验，研究人员必须使石墨烯尽可能纯净、没有瑕疵。这是消除因材料缺陷而形成任何电子晶体的可能性的关键。

揭开量子本质的面纱

结果令人印象深刻。亚兹达尼说："我们小组能够制作出前所未有的洁净样品，使这项工作成为可能。通过我们的显微镜，我们可以确认这些样品在石墨烯原子晶格中没有任何原子缺陷，其表面上也没有任何外来原子，超过了数十万个原子的区域。"

为了制造纯石墨烯，研究人员将两片石墨烯碳片剥离成一种被称为贝纳尔堆叠双层石墨烯（BLG）的结构。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了一个二维电子气体系统。这样，他们就可以调整两层石墨烯之间的电子密度。

"在我们的实验中，当我们调整单位面积的电子数量时，我们可以对系统进行成像，"物理学研究生、论文第一作者徐彦辰（Yen-Chen Tsui）说。"只需改变密度，就能启动这种相变，发现电子自发形成有序晶体"。

探索晶体结构及其动力学

Tsui 解释说，之所以会发生这种情况，是因为在低密度时，电子之间的距离很远，它们的位置是无序、无组织的。然而，随着密度的增加，电子之间的距离越来越近，它们的自然排斥倾向开始起作用，开始形成有组织的晶格。然后，随着密度的进一步增加，晶体相将熔化成电子液体。

该论文的共同第一作者、博士后研究员何敏浩更详细地解释了这一过程。他说："电子之间存在固有的排斥力。它们想把对方推开，但同时由于密度有限，电子不可能无限地分开。其结果是，它们形成了紧密排列的规则化晶格结构，每个局部电子都占据了一定的空间。"

当这种转变形成时，研究人员能够利用 STM 将其可视化："我们的工作首次提供了这种晶体的直接图像。我们证明了晶体确实存在，而且我们可以看到它。"

维格纳晶体研究的未来方向

然而，仅仅看到晶体并不是实验的终点。晶体的具体图像让他们能够分辨出晶体的一些特征。他们发现，晶体的构造是三角形的，而且可以随着粒子密度的变化而不断调整。这让他们意识到，维格纳晶体实际上在很长的范围内都是相当稳定的，这一结论与许多科学家的猜测相反。

亚兹达尼说："通过不断调节晶格常数，实验证明了晶体结构是电子间纯粹斥力的结果。

研究人员还发现了其他一些有趣的现象，毫无疑问，这些现象值得在未来进一步研究。他们发现，每个电子在晶格中定位的位置在图像中出现了一定程度的"模糊"，就好像这个位置不是由一个点定义的，而是电子被限制在晶格中的一个范围位置。论文将其描述为电子的"零点"运动，这是一种与海森堡不确定性原理相关的现象。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："电子即使凝固成维格纳晶体，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三分之一的距离，使得维格纳晶体成为一种新颖的量子晶体"。

亚兹达尼和他的团队还在研究 Wigner 晶体如何熔化并转变为磁场中电子相互作用的其他奇异液相。研究人员希望能像对维格纳晶体成像一样，对这些液相进行成像。

编译自/scitechdaily