人类首次拍摄到电子固体画面，伯克利华人团队研究登上Nature

想要看到电子的固体形态，还得靠石墨烯。

电子是带有负电的亚原子粒子，是构成物质的基本粒子之一，质量极轻，自旋速度很快，通常会被束缚在原子内部，然而它也可以「形成固体」。

在完美的条件下，电子可以在某些材料内自行排列成整齐的蜂窝状图案——就像固体中的固体。物理学家们首次对这些「维格纳晶体」进行了成像。

这种晶体以匈牙利 - 美国理论物理学家、数学家，量子力学对称性理论基础奠基人尤金 · 维格纳（Eugene Wigner）的名字命名，他在 1934 年首次预测了维格纳晶体的存在。

该研究的合著者之一，加州大学伯克利分校物理学教授，超快纳米光学组负责人王枫（Feng Wang）表示，研究人员之前已经令人信服地创造了维格纳晶体并测量了它们的特性，但这是第一次有人真正拍摄了这些物质的快照，「如果你说你造出了晶体，眼见为实。」

该研究的论文《Imaging two-dimensional generalized Wigner crystals》已于 9 月 29 日发表在了最新一期《自然》杂志上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03874-9

为了制造维格纳晶体，王枫及其团队构建了一个由包含两种半导体原子——二硫化钨和二硒化钨薄层组成的结构。随后，研究人员使用电场来调整沿着两层之间的界面自由移动的电子的密度。

在普通材料中，电子速度太快所以不会受到材料原子负电荷之间排斥力的明显影响。但维格纳曾预测，如果电子运动得足够慢，这种排斥力将开始主导它们的行为。在这种情形下，电子会找到最小化其总能量的排列，形成各类图案。因此，王枫和他的同事通过将其冷却到仅比绝对零度稍高的温度来减慢设备中的电子速度。

双层结构中的空隙也有助于电子形成维格纳晶体。两个半导体层中每一层的原子间距略有不同，因此将它们配对在一起时会产生蜂窝状的「摩尔纹」，类似于重叠两个网格时看到的样子。这种重复纹路产生了能量稍低的区域表面，有助于电子稳定下来。

这张石墨烯片的扫描隧道显微镜图像显示，维格纳晶体——一种电子的蜂窝状排列已经在其中的分层结构内形成。

在电子被安排进位置以后，该团队使用扫描隧道显微镜观察维格纳晶体。在这种特殊的显微镜工作时，金属尖端悬停在样品表面上方，电压使电子从尖端跳下，产生电流，随着针尖的移动，电流强度的变化揭示了样品中电子的位置。

王枫表示，最初使用扫描隧道显微镜直接观察双层物质，试图对维格纳晶体成像的尝试没有成功。因为电流破坏了脆弱的电子排列。因此该团队在半导体双薄层的顶部又添加了一层石墨烯，维格纳晶体的存在略微改变了正上方石墨烯的电子结构，这种现象被显微镜获取。人们获得的图像清楚地显示了底层维格纳电子的整齐排列。

正如科学家所预期的那样，维格纳晶体中的连续电子比半导体装置上实际晶体原子之间的距离要远大概 100 倍。

「能够在这样的系统上操作扫描隧道显微镜，我认为是一个伟大的进步，」哥伦比亚大学物理学家 Carmen Rubio Verdú 说道，她表示相同的基于石墨烯的方法有望使扫描隧道显微镜可以探索很多其他有趣的物理现象。

康奈尔大学物理学家麦建辉（Kin Fai Mak）表示：「该技术对你想要探测的状态是非侵入性的。对我来说这是一个非常聪明的主意。」

参考内容：

https://www.nature.com/articles/d41586-021-02657-6

理论Nature物理UC Berkeley