如果条件恰到好处,材料内部的一些电子会自行排列成整齐的蜂窝状图案——就像固体中的固体。物理学家现在已经直接对这些“维格纳晶体”进行了成像,以匈牙利出生的理论家尤金维格纳的名字命名,他在近 90 年前首次想象它们。

研究合著者、加州大学伯克利分校的物理学家王峰说,研究人员之前已经令人信服地创造了 Wigner 晶体并测量了它们的特性,但这是第一次有人真正拍摄了这些模式的快照。 “如果你说你有一个电子晶体,给我看看晶体,”他说。结果于 9 月 29 日发表在 自然.

为了制造 Wigner 晶体,Wang 的团队构建了一个包含两种类似半导体的原子薄层的设备:二硫化钨和二硒化钨。然后,该团队使用电场来调整沿着两层之间的界面自由移动的电子的密度。

在普通材料中,电子放大太快而不会受到它们负电荷之间排斥的显着影响。但维格纳预测,如果电子行进得足够慢,这种排斥力将开始主导它们的行为。然后电子会找到最小化其总能量的排列,例如蜂窝图案。因此,Wang 和他的同事通过将其冷却到仅比绝对零高几度来减慢他们设备中的电子速度。

器件中两层之间的不匹配也有助于电子形成维格纳晶体。两个半导体层中每一层的原子间距略有不同,因此将它们配对在一起会产生蜂窝状“莫尔图案”,类似于重叠两个网格时看到的那种。这种重复模式产生了能量略低的区域,这有助于电子稳定下来。

石墨烯把戏

该团队使用扫描隧道显微镜 (STM) 来观察这种 Wigner 晶体。在 STM 中,金属尖端悬停在样品表面上方,电压使电子从尖端跳下,产生电流。随着尖端在表面上移动,电流强度的变化揭示了样品中电子的位置。

Wang 说,最初通过将 STM 直接应用于双层器件来对 Wigner 晶体成像的尝试没有成功,因为电流破坏了脆弱的 Wigner 排列。因此,该团队在顶部添加了一层石墨烯,即单原子碳片。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。图像清楚地显示了底层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的间距比半导体器件实际晶体中的原子间距近 100 倍。

“我认为这是一个很大的进步,能够在这个系统上执行 STM,”纽约市哥伦比亚大学的物理学家 Carmen Rubio Verdú 说。她补充说,相同的基于石墨烯的方法将使 STM 研究除 Wigner 晶体之外的许多其他有趣的物理现象。纽约伊萨卡康奈尔大学的物理学家 Kin Fai Mak 对此表示赞同。 “该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主意。”

本文经授权转载,并被 首次发表 2021 年 9 月 29 日。