核心沒有原子核，首觀察到全由電子組成的奇特「維格納晶體」

皇帝 | 2024-10-25 09:00:40

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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。

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。

新論文發表在《自然》（Nature）期刊。