完全由電子組成的晶體？90年前的預言，這次真的看到了_風聞
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一種新的奇異物質，再次印證量子力學的神奇。
撰文 | 於槐
原子可以形成規律排列的晶格，從隨處可見的金屬，到芯片內部的硅，許多固體物質都是原子規律排列的產物（晶體）。再向下細分，原子包含帶正電的原子核和帶負電的電子。那麼，有沒有僅僅由電子規律排列產生的晶格呢？
90年前，著名物理學家尤金·維格納（Eugene Wigner）在理論上給出了電子晶體的預言。電子之間的相互排斥會使得它們彼此遠離，而一定的電子密度又會阻止它們無限制地彼此遠離。當這樣彼此衝突的相互作用取得平衡，電子會傾向於排列成為規則的晶格，以降低相互作用帶來的能量。這種晶格也因而得名“維格納晶體”（Wigner crystal）。
如今，這一理論預言終於被科學家直接觀測到。來自普林斯頓大學的研究者在《自然》雜誌上發表論文，首次直接拍攝到了維格納晶格。
一直以來，物理學家努力嘗試將維格納晶體變為現實。製造維格納晶體通常需要在極低的温度和低維情況下，因為電子的相互作用在這兩種情況下更為顯著。最早的實驗可以追溯到上世紀70年代的貝爾實驗室的工作。研究人員將電子噴射在液氦的表面，使得電子彼此遠離，形成晶格。但這樣的電子更接近相互獨立的粒子，真正的維格納晶體中，所有的電子應當形成一個整體，如同波浪一般集體行動。
之後的幾十年中，物理家們做了一系列探索。譬如利用半導體將電子的運動侷限在二維，用磁場讓電子繞圈從而幫助形成晶體。許多工作都間接觀測到了維格納晶格存在的證據。但人們一直沒能給維格納晶格“拍張照片”，實現直接觀測。
為了給這樣的亞原子結構“拍照”，研究人員選用了掃描隧道顯微鏡（STM）這一手段。這種顯微鏡的基本工作原理是，檢測探針和樣品之間由量子效應產生的極為微弱的電流，從而在掃描後顯示出樣品的特徵。這一手段可以清晰觀測到原子大小的尺度，從而使得原子級的“攝影”成為可能。
在確定了拍攝手段之後，樣品的準備也是一大難題。首先樣品必須極其乾淨，沒有雜質。維格納晶體是僅僅由電子構成的晶體。所有電子在量子力學下相互作用，統一行動。即使是一個雜質粒子的存在，也有可能形成一個束縛電子的陷阱，從而打破這樣的相互作用。
普林斯頓大學的研究人員選擇了堆疊的雙層石墨烯作為樣品，並將其冷卻，再施加與樣品方向垂直的磁場，從而製造出在二維下運動的電子氣體。這樣還可以輕鬆調節電子密度。
種種努力之下，結果讓人驚歎。通過隧道掃描顯微鏡，科學家第一次看到了僅由電子構成的維格納晶體。由於顯微鏡的超高分辨率，可以確定這其中沒有雜質存在。這些構成晶格的電子規律排列成緊密的三角形，在調節電子密度時，三角形的大小也會變化。這進一步確定了，晶格是由電子相互作用形成，而非受到雜質的影響。
科學家還發現，這些本應在晶格中規律排列的電子有些模糊。研究者解釋説這是由於電子的“零點能”——一種由量子力學描述的系統最低能量，與海森堡不確定性原理有關。這樣模糊的電子影像，正説明了拍攝到的維格納晶體是由於量子力學效應而形成的。
維格納晶體是一種新奇的物相，物理學家的目標之一就是不斷探索這些新奇物相，將其實現並記錄，理解不同相之間如何轉化，以更好地掌握量子世界。
參考文獻
[1] Tsui, YC., He, M., Hu, Y. et al. Direct observation of a magnetic-field-induced Wigner crystal. Nature 628, 287–292 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07212-7
出品：科普中國
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