一种新的奇异物质,再次印证量子力学的神奇。

撰文 | 于槐

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。

利用STM拍下的铁原子在铜表面上排列成圈,1993年11月Physics Today封面图

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。

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

出品:科普中国

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来源: 返朴