4 月 17 日消息，美國普林斯頓大學(xué)的物理研究人員近日首次直接觀察到了完全由電子組成的維格納晶體。

維格納晶體的概念由普林斯頓大學(xué)教授尤金?維格納（Eugene Wigner）（1963 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）于上世紀(jì)三十年代提出。

▲ 掃描隧道顯微鏡拍攝到的維格納晶體照片，每個(gè)藍(lán)色部分對應(yīng)一個(gè)電子。圖源普林斯頓大學(xué)官網(wǎng)

維格納認(rèn)為，在極低的溫度和較低密度下，電子之間的相斥作用可能會(huì)使電子自發(fā)排列成緊密堆積的電子晶體，這種晶體后來被命名為維格納晶體。

一般晶體的存在依賴各原子之間的吸引力，然而維格納晶體的形成完全基于電子間的斥力。因此被部分學(xué)者認(rèn)為是最迷人的物質(zhì)量子相之一。

自猜想提出后的九十年，維格納晶體一直沒有得到正面證實(shí)、研究人員在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，但均未能直接證明該晶體的存在。

而在最近的實(shí)驗(yàn)中普林斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)嘗試使用掃描隧道顯微鏡對維格納晶體進(jìn)行直接成像，并采用完全沒有缺陷的石墨烯材料構(gòu)建產(chǎn)生維格納晶體的理想環(huán)境。

研究者將兩片石墨烯冷卻到不足絕對零度以上 1 開爾文，并施加垂直于兩片硬盤的磁場，在石墨烯薄層間創(chuàng)建二維電子氣系統(tǒng)。這樣的話就能對兩層石墨烯間的電子密度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

調(diào)節(jié)過程中，研究者發(fā)現(xiàn)，電子密度最低的時(shí)候，各電子處于無序狀態(tài)；而當(dāng)電子密度提升至一檔的程度，它們開始形成有組織的晶格；如果電子密度進(jìn)一步提升，電子晶體就會(huì)轉(zhuǎn)化為電子液體。

在此過程中，掃描隧道顯微鏡成功對電子晶體進(jìn)行了直接成像，證明了維格納晶體的存在。

研究人員還發(fā)現(xiàn)了維格納晶體的一些其他特性：

電子會(huì)在晶格的一定區(qū)域中不斷“振動(dòng)”，而非固定在一個(gè)位置，這種運(yùn)動(dòng)同海森堡不確定性原理有關(guān)，顯示了該晶體的量子特性；

此外，維格納晶體為三角形構(gòu)型，可在一定密度區(qū)間中隨電子數(shù)量變化調(diào)整，具有一定的穩(wěn)定性。

普林斯頓大學(xué)的這項(xiàng)研究將有助于發(fā)現(xiàn)其他由電子集體行為形成的量子相。