在通常情況下，材料中的電子表現得像無序的液體。但在1934年，實體學家尤金·維格納（Eugene Wigner）基于量子力學做出了一個理論預測。他提出，當金屬中的電子的動能和密度可以降低到足夠低的程度時，軌道上的電子會被“當機”，在這種奇異的電子态下，電子之間的互相排斥力使它們自發地形成有序的排列，形成一種堅硬的、絕緣的晶體結構，這種結構被稱為維格納晶體（Wigner crystal）。
材料中的電子通常表現為無序液體（左），但在特定條件下可以形成規則的維格納晶體（右）。| 圖檔來源：ETH Zurich
自那之後，這一預測一直被視為凝聚态實體學的聖杯。但是，維格納晶體隻能在極端條件下形成。這給在現實中實作這種晶體帶來了障礙，直到1979年才首次在現實中被觀察到。在過去的研究中，科學家在磁場中發現過這種結構，因為在磁場中動能可以被人為地抑制。
現在，兩個科研小組使用更先進的技術，獨立地觀察到了更具說服力的結果。
在一項新的研究中，來自蘇黎世聯邦理工學院（ETH）的研究人員使用半導體材料——二硒化钼（MoSe₂）進行了一系列研究。實驗中所用到的二硒化钼是一層隻有原子厚的單層薄片，是以電子隻能在其中在一個平面上移動。在實驗中， 二硒化钼被夾在兩個石墨烯電極之間，研究人員可以通過在石墨烯上施加電壓來改變自由電子的數量。
根據理論，研究人員預測出實驗中的二硒化钼應該在冷卻到隻有幾開爾文時形成維格納晶體。他們還計算發現，這種維格納晶體中的電子之間的距離約為20納米，大約為可見光波長的1/30。是以即使用最好的顯微鏡，也無法分辨這樣的結構。
為了看清這些排列規則的電子，他們采用了一種被稱為激子翻轉光譜術（exciton umklapp spectroscopy）的技術。激子是一種重要的準粒子，在半導體中，當帶負電的電子被光子激發，就會從低能級躍遷到高能級，進而留下一個帶正電荷的空穴。激子指的就是互相吸引且彼此繞行的電子和空穴所形成的束縛态。（關于激子可進一步閱讀：《等待了近一個世紀，這是它的第一張圖像》）
在實驗中，他們使用特定頻率的光來激發半導體中的激子，産生激子的光的精确頻率既取決于材料本身的性質，也取決于激子與材料中其他電子的互相作用——比如與維格納晶體的互相作用。如果這些電子具有平移不變性，那麼激子就“看不到”晶格；但如果這些電子已經形成了晶格，那麼激子就會散射。
在半導體材料（藍球和灰球）内由電子（紅色）組成的維格納晶體。| 圖檔來源：ETH Zurich
通過這種方法，研究人員證明了維格納晶體大約會在溫度降低到11開爾文時形成。他們成功地制造出了這種完全由電子構成的特殊晶體，是首個直接證明晶體中電子的規則排列的例子。
雖然維格納晶體已經可以通過實驗被觀察到，但它們所隐藏的奧秘還有很多，比如維格納晶體可以通過熱量或者量子漲落熔化。這種相變正好處于物質從部分量子材料轉變為部分經典材料的邊界，有着許多不同尋常的現象和性質。對實體學家來說，他們一直無法了解晶體狀态是如何由于量子漲落而相變為液體的。
在另一項研究中，哈佛大學的一組研究人員就試圖通過實驗來記錄這一相變。我們知道在化學、實體和熱力學中，相變發生在物質的固态、液态或氣态發生變化時。在接近絕對零度的條件下，由量子漲落驅動這些變化被稱為量子相變。這種量子相變被認為在許多量子系統中都起着重要的作用。
研究人員使用激子光譜術來捕捉這種相變。一般來說，維格納晶體要求非常低的電子密度，這是實驗中所面臨的一個重大挑戰。在一些較早的理論論文中，有科學家提出雙層結構可能有助于穩定維格納晶體。是以在實驗中，研究人員觀察的是雙層二硒化钼從固态到液态的轉變。
從電子液體到雙層維格納晶體的量子相變原理圖，每個小球代表一個電子。| 圖檔來源：Ella Maru Studio in collaboration with Hongkun Park and You Zhou
他們制造了一種裝置，可以對頂層和底層二硒化钼進行不同的靜電摻雜。他們發現當以特定的密度比（如1:1、3:1、4:1、7:1）對上層和下層摻雜電子時，能意外地形成絕緣狀态。這一發現在很大程度上是偶然的，他們在沒有使用磁場的情況下發現了雙層維格納晶體。與ETH研究小組觀察到的單層維格納晶體相比，這種雙層維格納晶體可以承受高達40開爾文的溫度和更高的電子密度。
這兩項研究都于6月30日被刊登在了《自然》雜志上，标志着實體學家朝着建立一個研究量子級物質狀态之間的轉換的系統邁進了一大步。兩個研究小組都希望能夠更詳細地觀測正常物質和這種奇異狀态之間的相變。ETH的研究人員認為，在這兩種相之間肯定還有其他相，而這些階段還完全沒有被探索過。哈佛大學的研究人員對這樣的結果感到非常驚喜，并表示接下來他們将繼續使用這種方法研究其他的量子相變。
#創作團隊：
文：小雨
#原文來源：
https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2021/07/a-crystal-made-of-electrons.html
https://news.harvard.edu/gazette/story/2021/06/study-marks-major-step-to-creating-a-system-to-study-quantum-phase-transitions/
https://www.chemistryworld.com/news/best-sighting-yet-of-exotic-crystals-composed-entirely-of-electrons/4013942.article
#圖檔素材來源：
封面圖：Ella Maru Studio in collaboration with Hongkun Park and You Zhou