如果条件恰到好处，材料内部的一些电子会排列成整齐的蜂窝状图案——就像固体内部的固体。物理学家现在已经直接拍摄到了这些“维格纳晶体”，它们是以匈牙利裔理论家尤金·维格纳的名字命名的，后者在近 90 年前首次设想了它们。
研究人员之前已经令人信服地创造了维格纳晶体并测量了它们的性质，但这是第一次有人真正拍摄到这些图案的快照，加州大学伯克利分校的物理学家、研究合著者王峰说。“如果你说你有一个电子晶体，那就给我看看晶体，”他说。研究结果于 9 月 29 日发表在《自然》杂志上。
为了制造维格纳晶体，王的团队制造了一种包含原子级薄层的两种类似半导体的器件：二硫化钨和二硒化钨。然后，该团队使用电场来调整在两层界面之间自由移动的电子的密度。
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在普通材料中，电子移动得太快，以至于不会受到它们负电荷之间斥力的显着影响。但是维格纳预测，如果电子移动得足够慢，那么斥力将开始主导它们的行为。然后，电子将找到使其总能量最小化的排列方式，例如蜂窝状图案。因此，王和他的同事通过将器件冷却到仅高于绝对零度几度的温度来减慢电子的速度。
器件中两层之间的不匹配也有助于电子形成维格纳晶体。两个半导体层中每个半导体层中的原子之间的距离略有不同，因此将它们配对在一起会产生蜂窝状“莫尔图案”，类似于叠加两个网格时看到的图案。这种重复的图案创造了能量略低的区域，这有助于电子稳定下来。
石墨烯技巧
该团队使用扫描隧道显微镜 (STM) 来观察这种维格纳晶体。在 STM 中，金属尖端悬停在样品表面上方，电压导致电子从尖端跳下，产生电流。当尖端在表面上移动时，电流强度的变化会揭示样品中电子的位置。
王说，最初尝试通过将 STM 直接应用于双层器件来对维格纳晶体进行成像的尝试失败了，因为电流破坏了脆弱的维格纳排列。因此，该团队在顶部添加了一层单原子碳片石墨烯。维格纳晶体的存在略微改变了正上方石墨烯的电子结构，然后被 STM 拾取。图像清楚地显示了下方维格纳电子的整齐排列。正如预期的那样，维格纳晶体中连续电子之间的距离几乎是半导体器件实际晶体中原子之间距离的 100 倍。
哥伦比亚大学物理学家卡门·鲁比奥·维杜说：“我认为能够在该系统上执行 STM 是一项巨大的进步。”她补充说，相同的基于石墨烯的方法将使 STM 能够研究维格纳晶体之外的许多其他有趣的物理现象。康奈尔大学物理学家麦锦辉也表示同意。“这项技术对您想要探测的状态是非侵入性的。对我来说，这是一个非常聪明的想法。”
本文经许可转载，并于首次发表于 2021 年 9 月 29 日。