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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 | 于槐

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。那么，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。當這樣彼此沖突的相互作用取得平衡，電子會傾向于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，這一理論預言終于被科學家直接觀測到。來自普林斯頓大學的研究者在《自然》雜志上發表論文，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。制造維格納晶體通常需要在極低的溫度和低維情況下，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。

之后的幾十年中，物理家們做了一系列探索。譬如利用半導體將電子的運動局限在二維，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，從而在掃描后顯示出樣品的特征。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。

利用STM拍下的鐵原子在銅表面上排列成圈，1993年11月Physics Today封面圖

在確定了拍攝手段之后，樣品的準備也是一大難題。首先樣品必須極其干凈，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，并將其冷卻，再施加與樣品方向垂直的磁場，從而制造出在二維下運動的電子氣體。這樣還可以輕松調節電子密度。

種種努力之下，結果讓人驚嘆。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。由于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。研究者解釋說這是由于電子的“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，正說明了拍攝到的維格納晶體是由于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，將其實現并記錄，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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