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物理學家首觀察到全由電子組成的奇特「維格納晶體」
電子不需在原子周圍聚結也可自行組裝成類似晶體的結構﹐這種具許多量子特性的假想物質狀態「維格納晶體」﹐終於首度被物理學家觀察到！
維格納晶體(Wigner crystal)是最令人著迷的物質量子相之一﹐由量子論先驅﹑理論物理學家尤金·維格納(Eugene Wigner)於1934年首次提出﹐他推測電子之間的相互作用(排斥力)可能導致它們自發排列成緊密堆積﹑類似晶體的結構﹐且這種情況只在低密度與極冷溫度條件下﹐電子彼此相互排斥時才會發生。
當我們想到穩定晶體結構﹐通常代表原子之間具有吸引力﹐但完全由電子組成的維格納晶體卻純粹靠電子彼此的排斥力﹐由於太奇怪了﹐導致這種假想物質狀態很長一段時間都停留在理論中﹐直到後來展開一系列實驗才讓電子晶體概念從猜想轉變為現實。
第一個實驗於1970年代出現﹐當時貝爾實驗室科學家將電子噴到氦表面創造出「經典」電子晶體﹐發現它們像晶體一樣以剛性方式響應。然而實驗中的電子相距很遠﹐且表現得更像單一粒子而非內聚結構﹐但真正的維格納晶體不遵循日常生活熟悉的物理定律﹐而是遵循量子物理定律﹐電子行為不像單一粒子而是像波。
因此接下來數十年﹐許多實驗提出製造量子維格納晶體的方法﹐大幅推動研究進展﹐物理學家發現可以使用半導體將電子運動限制在原子薄層內﹐對結構施加磁場也會使電子繞圈移動為結晶創造有利條件。但這些實驗始終無法直接觀察到維格納晶體﹐只能暗示它的存在﹐或從電子流過半導體的方式間接推斷它。
普林斯頓大學團隊決定使用掃描隧道顯微鏡(STM)直接對維格納晶體成像﹐這種設備依靠量子穿隧效應技術而不是光來觀察晶體。材料則選擇純石墨烯﹐在實驗中﹐研究人員將樣品冷卻到極低溫度並施加垂直於樣品的磁場﹐使石墨烯薄層內形成二維電子氣(two-dimensional electron gas﹐2DEG)系統﹐如此可以調整兩層之間的電子密度。
研究團隊也因此發現﹐只要改變密度﹐電子就自發形成有序晶體。將電子置於磁場中會進一步限制它們運動﹐進而增加結晶機會﹐一開始電子彼此相距很遠﹐以無序﹑無組織方式排列﹐然而隨著密度增加﹐電子距離變近﹐電子之間的排斥力開始想推開彼此﹐但又礙於有限密度﹐電子無法無限分開﹐最終便形成一個緊密堆積﹑規則化的晶格結構﹐每個局域電子都占據一定空間。
當這種轉變形成﹐研究人員透過STM顯微鏡首度直接觀察到維格納晶體的存在。維格納晶體也具有電子密度最佳點﹐密度太低電子就會互相推開﹐密度太高電子就會聚集在一起形成電子液體﹐只有在某個「黃金交叉點」﹐電子想逃開但被其他電子切斷後路﹐呈現特定三角形幾何結構﹐電子才會被鎖在穩定位置形成維格納晶體。
研究人員還發現其他有趣現象﹐比如每個電子在晶格內的位置﹐於圖像上卻有一定程度的「模糊」﹐這種現象與海森堡測不準原理有關﹐反映出維格納晶體的量子性質﹐值得未來投入更多研究。
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