普林斯頓大學的研究人員探測到了一種奇怪的物質形式，這種物質在大約90 年的時間裡一直無法直接探測到。儘管科學家對電子的研究已經超過了一個世紀，但電子–這種已知會在原子周圍遊走的無限小的粒子–仍然令科學家們感到驚訝。

掃描穿隧顯微鏡拍攝的三角形維格納晶體影像。研究人員揭示了一種難以捉摸的晶體，它完全是由電子的斥力性質形成的。每個位點（藍色圓形區域）都包含一個局部電子。資料來源：普林斯頓大學徐彥辰及團隊

現在，普林斯頓大學的物理學家突破了我們對這些微小粒子理解的界限，首次以可視化的方式直接證明了所謂的維格納晶體–一種完全由電子構成的奇特物質。

這項發現發表在4 月11 日出版的《自然》（Nature）雜誌上，證實了一個已有90 年歷史的理論，即電子可以自行組合成類似晶體的形態，而無需圍繞原子凝聚。這項研究可能有助於發現電子集體行動時物質的新量子相。

理論見解和早期實驗

“維格納晶體是已被預言的最迷人的物質量子相之一，也是眾多研究的主題，這些研究聲稱最多只能找到其形成的間接證據，”普林斯頓大學詹姆斯-S-麥克唐納傑出大學物理教授、研究的資深作者阿爾-亞茲達尼（Al Yazdani）說。 “可視化這種晶體不僅能讓我們觀察它的形成，證實它的許多特性，還能以過去無法實現的方式對它進行研究。”

1930 年代，因研究量子對稱原理而獲得1963 年諾貝爾獎的普林斯頓大學物理學教授尤金-維格納（Eugene Wigner）撰寫了一篇論文，提出了當時具有革命性意義的觀點，即電子之間的相互作用會導致它們自發地排列成類似晶體的組態，即由緊密排列的電子組成的晶格。根據他的理論，只有在低密度和極低溫條件下，由於電子間的相互排斥作用，才會出現這種情況。

亞茲達尼是普林斯頓量子研究所的首任聯合所長兼普林斯頓複雜材料中心主任，他說：”當你想到晶體時，通常會想到原子間的吸引力是一種穩定力，但這種晶體的形成純粹是由於電子間的斥力。

影片描述了電子維格納晶體熔化成電子液相的​​過程。隨著電子密度（nu，磁場中電子數量的測量，透過施加電壓來控制）的增加，更多的電子（深藍色點）進入視野，出現了三角形晶格的週期性結構。週期性結構首先被融化（在nu = 0.334 附近），在那裡地圖顯示出均勻的訊號。然後，它在密度更高的nu 處再次出現，並最終再次融化（nu = 0.414）。資料來源：普林斯頓大學，徐彥辰

電子晶體研究的進展

然而，在很長一段時間裡，維格納的奇異電子晶體仍停留在理論領域。直到後來的一系列實驗，電子晶體的概念才從猜測變成現實。第一個實驗是在20 世紀70 年代進行的，當時新澤西州貝爾實驗室的科學家透過在氦表面噴射電子，製造出了一種”經典”電子晶體，並發現它們的反應就像晶體一樣僵硬。然而，這些實驗中的電子之間相距甚遠，其行為更像是單一粒子，而不是內聚結構。真正的維格納晶體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，其中電子的行為不像單一粒子，而更像單一的波。

因此，在接下來的幾十年裡，人們進行了​​一系列實驗，提出了製造量子維格納晶體的各種方法。 20 世紀80 年代和90 年代，物理學家發現瞭如何利用半導體將電子運動限制在原子薄層中，從而大大推進了這些實驗。對此層狀結構施加磁場也會使電子做圓週運動，為結晶創造有利條件。但是，這些實驗從未能直接觀察到晶體。他們只能暗示晶體的存在，或根據電子在半導體中的流動方式間接推論晶體的存在。

直接成像的突破

“簡直有數百篇科學論文都在研究這些效應，並聲稱這些結果一定是維格納晶體造成的，”亞茲達尼說，”但我們無法確定，因為這些實驗都沒有真正看到晶體。 “

亞茲達尼指出，一個同樣重要的考慮因素是，一些研究人員認為是維格納晶體的證據，可能是實驗所用材料的缺陷或其他固有的週期性結構所造成的。他說：”如果材料中存在任何缺陷或某種形式的周期性子結構，就有可能捕獲電子並發現實驗特徵，而這些特徵並不是由於自組織有序維格納晶體本身的形成，而是由於電子’卡’在缺陷附近或由於材料的結構而被捕獲。

考慮到這些因素，亞茲達尼和他的研究團隊開始研究他們能否利用掃描穿隧顯微鏡（STM）直接對維格納晶體進行成像，這種設備依靠一種名為”量子隧道”的技術而不是光來觀察原子和亞原子世界。他們也決定使用石墨烯，這是在21 世紀發現的神奇材料，已被用於許多涉及新量子現象的實驗中。不過，為了成功進行實驗，研究人員必須讓石墨烯盡可能純淨、沒有瑕疵。這是消除因材料缺陷而形成任何電子晶體的可能性的關鍵。

揭開量子本質的面紗

結果令人印象深刻。亞茲達尼說：”我們小組能夠製作出前所未有的潔淨樣品，使這項工作成為可能。透過我們的顯微鏡，我們可以確認這些樣品在石墨烯原子晶格中沒有任何原子缺陷，其表面上也沒有任何外來原子，超過了數十萬個原子的區域。

為了製造純石墨烯，研究人員將兩片石墨烯碳片剝離成一種稱為貝納爾堆疊雙層石墨烯（BLG）的結構。然後，他們將樣品冷卻到極低的溫度–僅比絕對零度高幾分之一，並施加垂直於樣品的磁場，從而在石墨烯薄層內形成了一個二維電子氣體系統。這樣，他們就可以調整兩層石墨烯之間的電子密度。

「在我們的實驗中，當我們調整單位面積的電子數量時，我們可以對系統進行成像，」物理學研究生、論文第一作者徐彥辰（Yen-Chen Tsui）說。 “只需改變密度，就能啟動這種相變，發現電子自發形成有序晶體”。

探索晶體結構及其動力學

Tsui 解釋說，之所以會發生這種情況，是因為在低密度時，電子之間的距離很遠，它們的位置是無序、無組織的。然而，隨著密度的增加，電子之間的距離越來越近，它們的自然排斥傾向開始起作用，開始形成有組織的晶格。然後，隨著密度的進一步增加，晶體相將熔化成電子液體。

論文的共同第一作者、博士後研究員何敏浩更詳細地解釋了這個過程。他說：”電子之間存在固有的排斥力。它們想把對方推開，但同時由於密度有限，電子不可能無限地分開。其結果是，它們形成了緊密排列的規則化晶格結構，每個局部電子都佔據了一定的空間。

當這種轉變形成時，研究人員能夠利用STM 將其可視化：”我們的工作首次提供了這種晶體的直接圖像。我們證明了晶體確實存在，而且我們可以看到它。”

維格納晶體研究的未來方向

然而，僅僅看到晶體並不是實驗的終點。晶體的具體圖像讓他們能夠分辨出晶體的一些特徵。他們發現，晶體的構造是三角形的，可以隨著粒子密度的變化而不斷調整。這讓他們意識到，維格納晶體實際上在很長的範圍內都是相當穩定的，這一結論與許多科學家的猜測相反。

亞茲達尼說：”透過不斷調節晶格常數，實驗證明了晶體結構是電子間純粹斥力的結果。

研究人員也發現了其他一些有趣的現象，毫無疑問，這些現象值得在未來進一步研究。他們發現，每個電子在晶格中定位的位置在影像中出現了一定程度的”模糊”，就好像這個位置不是由一個點定義的，而是電子被限制在晶格中的一個範圍位置。論文將其描述為電子的”零點”運動，這是與海森堡不確定性原理相關的現象。這種模糊的程度反映了維格納晶體的量子性質。

亞茲達尼說：「電子即使凝固成維格納晶體，也應該表現出強烈的零點運動。事實證明，這種量子運動覆蓋了它們之間三分之一的距離，使得維格納晶體成為一種新穎的量子晶體”。

亞茲達尼和他的團隊也正在研究Wigner 晶體如何熔化並轉變為磁場中電子相互作用的其他奇異液相。研究人員希望能像對維格納晶體成像一樣，對這些液相進行成像。

編譯自/ scitechdaily