物理学家在实验室里制造出86年前预言的电子晶体

1934年E.P.维格纳通过对电子气的计算表明,当电荷的密度十分低时,点阵状的分布比均匀分布具有更低的能量,所以预言在低温、低密度下可以出现电子晶体,而后人们常称这种晶体为维格纳晶体或维格纳点阵。

不过,说起来容易做起来难。电子躁动难安,要使其静止不动非常困难。尽管如此,物理学家现在实现了这一目标——把躁动的小东西固定在一对二维半导体钨层之间。

传统的晶体(如钻石或石英)是由三维重复网格结构的原子晶格形成的。根据维格纳的想法,电子可以类似的方式排列成固态相,但前提是电子是固定的。

如果电子的密度足够低,则电子之间的库仑斥力会转为势能,结果可令电子静止。但困难就在于此。

康奈尔大学的物理学家麦金辉说:“电子遵循量子力学。你什么也不做,它就自发地震荡。电子晶体倾向于迅速熔化。”

因此,制造维格纳晶体的方法依赖于某种电子阱,如强大的磁场或单电子晶体管,但是直到现在,完全结晶仍是物理学家无法企及的。在2018年,麻省理工学院试图制作出绝缘子的科学家反而可能意外地得到了维格纳晶体,但他们的研究结果仍有很多疑点。

麻省理工学院的电子阱是被称为莫尔超晶格的石墨烯结构,其中两个二维网格以微小角度上下重叠,并且出现了较大的规则图案。

现在,物理学家杨旭(音)领导的康奈尔团队创建出更具针对性的莫尔超晶格方法。采用两个半导体层,是哥伦比亚大学专门制出的二硫化钨(WS2)和二硒化钨(WSe2)。

下一步是把电子小心翼翼地放置在晶格中的特定位置,使用计算方法确定不同的电子排列,保障形成晶体的占有率。

最后的挑战是如何观察实验的结果。

电子晶体很脆弱,需要一种不会干扰到其稳定性的探测手段。

六方氮化硼绝缘层解决了这个问题。将光学传感器放置在离样品非常近(但不接触)的位置,距离仅一纳米,由氮化硼层隔开。这样可以防止传感器与样品之间发生电耦合,同时保持足够的接近度以实现高检测灵敏度。

所以我们能够确认,在莫尔超晶格内,电子排列成各种晶体结构,包括三角维格纳晶体,条纹相和二聚体。

这一成就不仅对研究电子晶体有影响。这些发现证明了莫尔超晶格在量子物理学研究中的未开发潜力。

该研究发表在《自然》上。

原文:https://www.sciencealert.com/physicists-have-created-a-long-hypothesised-electron-crystal

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