研究人员创造了一种完全由电子组成的晶体

苏黎世联邦理工学院的研究人员成功观察到了一种完全由电子组成的晶体。这些结构虽然已经理论化有几十年时间，但这标志着它们首次在实验室里被实验证实。通常情况下，电子的行为或多或少像液体，在物质中自由流动。

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但在1934年，理论物理学家尤金·维格纳预言，一组电子可以在特定条件下结晶成固体形式并形成现在被称为维格纳晶体的一种相。

要做到这一点，需要在影响电子的两种力之间找到恰当的平衡：它们的静电斥力和它们的运动能量。后者是更强大的效应，它会导致电子随机地四处弹跳，但维格纳提出，如果这种效应能被足够地减弱那么斥力就会取而代之并将电子锁定在一个统一的晶格中。

但事实证明，这比听起来要棘手得多。电子密度需要降低到某个点以上，它们需要被限制在一个“陷阱”中且要被冷却到几乎绝对零度从而减少外界对它们运动的影响。

现在，苏黎世联邦理工学院的科学家们已经满足了所有这些要求来制造维格纳晶体。为了限制电子，他们使用了一层单原子厚的二硒化钼，以此有效地将电子的运动限制在二维范围内。为了控制这种半导体中电子的数量，该团队将这种材料夹在两个石墨烯电极之间并施加一个电压。最后，整个系统被冷却到接近绝对零度。

果然，一个维格纳晶体出现了。但是观察它完全是另一个挑战--因为电子之间的距离是如此之小，大概只要20纳米，以至于显微镜都看不到。

以前试图制造维格纳晶体的研究必须依靠间接的方法来检测它们，如电流的变化。然而在这项新研究中，研究小组使用了一种新方法。他们以特定的频率将光照射到这种材料上从而激发半导体中所谓的“激子”，这些激子会将光反射回来。如果存在维格纳晶体，那么激子将光反射回来时应该是静止的。

“由哈佛大学的Eugene Demler领导的一组理论物理学家今年将前往ETH，他们已经从理论上计算了该效应如何在观察到的激子激发频率中显示出来--这正是我们在实验室中观察到的，”这项研究的论文首席作者Ataç Imamoğlu说道。

相关链接：https://phys.org/news/2021-07-crystal-electrons.html

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