90年后，物理学家终于捕获了神秘的维纳晶体：ScienceAlert

电子是奇妙的小东西。 它们经常围绕原子核运行，但它们不必这样做，宇宙中充满了到处游荡的松散电子。

九十年前，理论物理学家尤金·维格纳发现 建议一下 他们也不必喋喋不休：自由电子可能会聚集在一种奇怪的物质中，这种物质根本不含原子，只有电子因自身的排斥力而被困在优雅的晶格中。

这被称为维格纳晶体，物理学家终于获得了它可能存在的直接观测证据。

“维格纳晶体是有史以来预测的最令人着迷的物质量子相之一，也是众多研究的主题，这些研究声称最多找到了其形成的间接证据。” 物理学家亚兹达尼说 来自普林斯顿大学。

“可视化这种晶体不仅使我们能够观察它的形成，并确认它的许多特性，而且我们还可以以过去无法研究的方式研究它。”

结晶度是指原子在固体中的排列方式。 在典型的晶体材料中，原子以在空间中形成重复图案的方式相互连接。

韦格纳在 1934 年发表的开创性论文提出，电子可以形成类似的排列，并通过所有电子所携带的负电荷产生的相互排斥来支持（而不是阻碍）。

他认为，在非常低的温度和低密度下，电子之间的排斥相互作用使它们的势能超过了它们放大的需要，导致它们陷入类似晶体的晶格排列。

这些晶体的行为不是根据经典物理学，而是根据量子力学，其中束缚电子不会表现为单独的粒子，而是表现为单个波。 旨在检测这种行为后果的涉及二维系统的各种实验已成功获得韦格纳晶体存在的间接证据，但获得直接证据有些困难。

“有数百篇科学论文研究了这些效应，并声称这些结果一定是由于维格纳结晶造成的。” 亚兹达尼 说“但我们无法确定，因为这些实验都无法真正看到晶体。”

考虑到此类实验的缺点，由普林斯顿大学物理学家 Yinzhen Cui、Minhao He 和 Yuen Hu 领导的团队设计了一个实验，他们希望能够解决之前的问题并揭示晶体。

他们利用磁场诱导石墨烯中的维格纳电子结晶，但不仅仅是任何旧的石墨烯。 该材料必须尽可能纯净，以消除原子缺陷可能产生的任何影响。

制备了两片石墨烯，并在冷却至绝对零以上之前以特定的结构排列。 然后施加磁场来调节层间捕获的电子气的密度。

维格纳晶体包含电子密度的最佳点。 如果密度太低，电子就会相互推开并移开。 如果密度太高，电子就会聚集在一起形成电子液体。

在金发姑娘点，电子将尝试相互排斥……但它们的逃逸将被其他电子切断。 因此，它们会将自己排列成网格，并尽可能保持彼此之间的距离。

为了测量这种晶相，研究人员使用高分辨率扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜）来测量它。 STM 利用量子隧道效应在原子水平上探索材料，而光学显微镜在原子水平上是完全无法实现的。

“在我们的实验中，我们可以在调整每单位面积的电子数量的同时对系统进行成像。只有通过改变密度才能启动这种相变并发现电子自发地形成有序晶体。” 徐解释。

“我们的工作提供了这种晶体的第一个直接图像。我们已经证明这种晶体确实存在并且我们可以看到它。”

他们的测量还证实了当局限于二维空间时将晶格描述为三角形的模型，尽管他们发现在密度调整到很大程度时它可以保持稳定 – 这与之前密度范围必须非常小的理论相矛盾.. 他们还发现电子并不占据晶格中的单个点，而是占据一组模糊的位置，描述为 零点移动。

“电子即使被冻结在维格纳晶体中，也应该在零点表现出强烈的运动。” 亚兹达尼 说。 “事实证明，这种量子运动覆盖了它们之间三分之一的距离，使维格纳晶体成为一种新的量子晶体。”

结果已发表于 自然。