如果條件恰到好處，材料內部的一些電子會排列成整齊的蜂窩狀圖案——就像固體內部的固體。物理學家現在已經直接拍攝到了這些“維格納晶體”，它們是以匈牙利裔理論家尤金·維格納的名字命名的，後者在近 90 年前首次設想了它們。
研究人員之前已經令人信服地創造了維格納晶體並測量了它們的性質，但這是第一次有人真正拍攝到這些圖案的快照，加州大學伯克利分校的物理學家、研究合著者王峰說。“如果你說你有一個電子晶體，那就給我看看晶體，”他說。研究結果於 9 月 29 日發表在《自然》雜誌上。
為了製造維格納晶體，王的團隊製造了一種包含原子級薄層的兩種類似半導體的器件：二硫化鎢和二硒化鎢。然後，該團隊使用電場來調整在兩層介面之間自由移動的電子的密度。
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在普通材料中，電子移動得太快，以至於不會受到它們負電荷之間斥力的顯著影響。但是維格納預測，如果電子移動得足夠慢，那麼斥力將開始主導它們的行為。然後，電子將找到使其總能量最小化的排列方式，例如蜂窩狀圖案。因此，王和他的同事透過將器件冷卻到僅高於絕對零度幾度的溫度來減慢電子的速度。
器件中兩層之間的不匹配也有助於電子形成維格納晶體。兩個半導體層中每個半導體層中的原子之間的距離略有不同，因此將它們配對在一起會產生蜂窩狀“莫爾圖案”，類似於疊加兩個網格時看到的圖案。這種重複的圖案創造了能量略低的區域，這有助於電子穩定下來。
石墨烯技巧
該團隊使用掃描隧道顯微鏡 (STM) 來觀察這種維格納晶體。在 STM 中，金屬尖端懸停在樣品表面上方，電壓導致電子從尖端跳下，產生電流。當尖端在表面上移動時，電流強度的變化會揭示樣品中電子的位置。
王說，最初嘗試透過將 STM 直接應用於雙層器件來對維格納晶體進行成像的嘗試失敗了，因為電流破壞了脆弱的維格納排列。因此，該團隊在頂部添加了一層單原子碳片石墨烯。維格納晶體的存在略微改變了正上方石墨烯的電子結構，然後被 STM 拾取。影像清楚地顯示了下方維格納電子的整齊排列。正如預期的那樣，維格納晶體中連續電子之間的距離幾乎是半導體器件實際晶體中原子之間距離的 100 倍。
哥倫比亞大學物理學家卡門·魯比奧·維杜說：“我認為能夠在該系統上執行 STM 是一項巨大的進步。”她補充說，相同的基於石墨烯的方法將使 STM 能夠研究維格納晶體之外的許多其他有趣的物理現象。康奈爾大學物理學家麥錦輝也表示同意。“這項技術對您想要探測的狀態是非侵入性的。對我來說，這是一個非常聰明的想法。”
本文經許可轉載，並於首次發表於 2021 年 9 月 29 日。