8.电子晶体新认识.docx

电子晶体

原子可以形成规律排列的晶格，从随处可见的金属，到芯片内部的硅，许多固体物质都是原子规律排列的产物（晶体）.再向下细分，原子包含带正电的原子核和带负电的电子.那么，有没有仅仅由电子规律排列产生的晶格呢？90年前著名物理学家尤金·维格纳（Eugene Wigner）在理论上给出了电子晶体的预言.电子之间的相互排斥会使得它们彼此远离，而一定的电子密度又会阻止它们无限制地彼此远离.当这样彼此冲突的相互作用取得平衡，电子会倾向于排列成为规则的晶格，以降低相互作用带来的能量.这种晶格也因而得名“维格纳晶体”（Wigner crystal）.如今，这一理论预言终于被科学家直接观测到.来自普林斯顿大学的研究者在《自然》杂志上发表论文，首次直接拍摄到了维格纳晶格.

一直以来，物理学家努力尝试将维格纳晶体变为现实.制造维格纳晶体通常需要在极低的温度和低维情况下，因为电子的相互作用在这两种情况下更为显著.最早的实验可以追溯到上世纪70年代的贝尔实验室的工作.研究人员将电子喷射在液氦的表面，使得电子彼此远离，形成晶格.但这样的电子更接近相互独立的粒子，真正的维格纳晶体中，所有的电子应当形成一个整体，如同波浪一般集体行动.之后的几十年中，物理家们做了一系列探索.譬如利用半导体将电子的运动局限在二维，用磁场让电子绕圈从而帮助形成晶体.许多工作都间接观测到了维格纳晶格存在的证据.但人们一直没能给维格纳晶格“拍张照片”，实现直接观测.为了给这样的亚原子结构“拍照”，研究人员选用了扫描隧道显微镜（STM）这一手段.这种显微镜的基本工作原理是，检测探针和样品之间由量子效应产生的极为微弱的电流，从而在扫描后显示出样品的特征.这一手段可以清晰观测到原子大小的尺度，从而使得原子级的“摄影”成为可能.在确定了拍摄手段之后，样品的准备也是一大难题.首先样品必须极其干净，没有杂质.维格纳晶体是仅仅由电子构成的晶体.所有电子在量子力学下相互作用，统一行动.即使是一个杂质粒子的存在，也有可能形成一个束缚电子的陷阱，从而打破这样的相互作用.普林斯顿大学的研究人员选择了堆叠的双层石墨烯作为样品，并将其冷却，再施加与样品方向垂直的磁场，从而制造出在二维下运动的电子气体.这样还可以轻松调节电子密度.种种努力之下，结果让人惊叹.通过隧道扫描显微镜，科学家第一次看到了仅由电子构成的维格纳晶体.由于显微镜的超高分辨率，可以确定这其中没有杂质存在.这些构成晶格的电子规律排列成紧密的三角形，在调节电子密度时，三角形的大小也会变化.这进一步确定了，晶格是由电子相互作用形成，而非受到杂质的影响.科学家还发现，这些本应在晶格中规律排列的电子有些模糊.研究者解释说这是由于电子的“零点能”——一种由量子力学描述的系统最低能量，与海森堡不确定性原理有关.这样模糊的电子影像，正说明了拍摄到的维格纳晶体是由于量子力学效应而形成的.维格纳晶体是一种新奇的物相，物理学家的目标之一就是不断探索这些新奇物相，将其实现并记录，理解不同相之间如何转化，以更好地掌握量子世界.

笔者注：笔者认为电子晶体应该是电磁相互作用和强相互作用共同作用的结果.

参考文献

[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.