苏黎世联邦理工学院的研究人员成功地观察到了一种仅由电子组成的晶体。这种被叫做维格纳晶体的特殊结构在90年前就已经被预测到，但现在只能在半导体材料中直接观察到。
水晶一直让人们着迷。谁不曾欣赏过雪花的复杂图案，或水晶的完美对称表面？即使人们知道这一切都源于原子和电子之间的吸引力和排斥力的简单相互作用，魔法也不会停止。由苏黎世联邦理工学院量子电子研究所教授阿塔奇·伊莫格卢领导的一组研究人员现已生产出一种非常特殊的晶体。与普通晶体不同，它完全由电子组成。通过这样做，他们证实了近90年前做出的理论预测，此后该预测被视为凝聚态物理学的一种圣杯。他们的结果最近发表在科学杂志《自然》上。
几十年前的预测
“让我们对这个问题感到兴奋的是它的简单性，”伊莫格卢说。早在1934年，量子力学对称理论的创始人之一尤金·维格纳就表明，材料中的电子在理论上可以排列成规则的、类似晶体的图案，因为它们之间存在相互的电排斥。这背后的原因很简单：如果电子之间的电斥力的能量大于它们的运动能量，它们就会以这样一种方式排列自己，使它们的总能量尽可能小。
然而，几十年来，这种预测仍然纯粹是理论上的，因为那些“维格纳晶体”只能在极端条件下形成，例如低温和材料中极少量的自由电子。这部分是因为电子比原子轻数千倍，这意味着由于电子之间的相互作用，它们在规则排列中的动能通常比静电能大得多。
平面中的电子
为了克服这些障碍，伊莫格卢和他的合作者选择了半导体材料二硒化钼的晶片薄层，它只有一个原子厚，因此电子只能在一个平面上移动。研究人员可以通过向两个透明石墨烯电极施加电压来改变自由电子的数量，半导体夹在它们之间。根据理论考虑，二硒化钼的电学特性应该有利于形成维格纳晶体——前提是整个设备冷却到负273.15摄氏度的绝对零度以上几度。
电子液体维格纳晶体
然而，仅仅生产一个维格纳晶体是不够的。“下一个问题是证明我们的设备中确实有维格纳晶体，”该出版物的主要作者、在伊莫格卢实验室担任博士后的托马斯·斯莫伦斯基说。电子之间的间隔被计算为大约20纳米，大约比可见光的波长小三十倍，因此即使使用最好的显微镜也无法分辨。
通过激子检测
尽管晶格中的间隔很小，但物理学家们使用一种技巧设法使电子的规则排列可见。为此，他们使用特定频率的光来激发半导体层中所谓的激子。激子是电子和“空穴”对，是由于材料能级中缺少电子而产生的。产生这种激子的精确光频率及其移动速度取决于材料的特性以及与材料中其他电子的相互作用——例如，与维格纳晶体。
晶体中电子的周期性排列产生的效果有时可以在电视上看到。当自行车或汽车越来越快，超过一定速度时，车轮似乎静止不动，然后向相反的方向转动。这是因为相机每40毫秒拍摄一次车轮快照。如果在那个时间轮子的规则间隔的辐条正好移动了辐条之间的距离，那么轮子似乎不再转动。类似地，在存在维格纳晶体的情况下，移动激子看起来是静止的，只要它们以由晶格中电子分离确定的特定速度移动。
第一次直接观察
“由哈佛大学的尤金·德姆勒领导的一组理论物理学家从理论上计算了这种效应应该如何出现在观察到的激子激发频率中——这正是我们在实验室中观察到的，”伊莫格卢说。与之前基于平面半导体的实验相比，通过电流测量间接观察维格纳晶体，这是对晶体中电子规则排列的直接确认。未来，伊莫格卢和他的同事们希望通过他们的新方法来研究维格纳晶体是如何从无序的电子“液体”中形成的。
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