魔法师

原创 高分子科学前沿（有删减）

         你见过完全由纯电子组成的晶体吗？

         自古以来，水晶便吸引了无数人的目光，让人无比着迷。即使后来人们知道，水晶的完美对称表面仅仅是由原子和电子之间的吸引和排斥的简单相互作用造成的，对水晶的执着也没有停止。

        在物理学中，同样存在一种神奇的晶体，让无数的物理学家和晶体学家痴迷不已。它就是 Wigner 晶体（Wigner crystal）！

        与水晶不同， Wigner 晶体是由纯电子组成。具体来说，就是当相互排斥的电子被限制在一个狭小的空间时，形成的一种有序的晶体状态！虽然 Wigner 晶体在80多年前就已经被预测到，但是目前只能在半导体材料中直接观察到它。

         1934年，量子力学对称性理论的创始人之一尤金·维格纳（Eugene Wigner）第一次预言一种电子的晶体相--- Wigner 晶体。他指出，从理论上讲，如果电子之间的库伦排斥力大于它们的动能，材料中的电子就会以规则的、类似晶体的方式排列，从而使它们的总能量尽可能小。

        来个形象的类比：想象一群人，每一个人都在一个大圆球里面，他们在一个封闭的房间里四处跑动。如果圆球比较小，他们可以自由移动；但是随着圆球逐渐变大，他们彼此之间的碰撞会更频繁，直到某个临界点，所有人都卡在自己的位置上寸步难行，因为任何人的一点点移动都会被旁边的人立刻阻止。晶体基本上就是这个样子。这里，人就相当于电子，圆球的大小相当于他们之间的库伦排斥力的强度。

        然而，几十年来这个预测仍只是纯粹的理论，因为那些“ Wigner 晶体”只能在极端条件下形成。由于电子比原子轻数千倍，这意味着在电子之间的相互作用下，它们在规则排列中的动能通常比静电能大得多。因此，制造 Wigner 晶体的方法依赖于某种电子阱，如强大的磁场或单电子晶体管。然而，直到现在，完全结晶仍是物理学家无法企及的。该预测也因此一直被视为凝聚态物理学的“圣杯”。

        80多年后，两个独立的研究小组均在他们的实验中使用了一种新型的光谱学技术观察到 Wigner 晶体的存在。2021年6月30日，世界顶级期刊《Nature》同时刊登了这两个小组关于 Wigner 晶体的研究论文，并向整个物理学界宣布：凝聚态物理学的“圣杯”--- Wigner 晶体，终于被科学家们制造出来了！

          第一篇论文来自于苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)量子电子学研究所的Ataç Imamoğlu教授和哈佛大学Eugene Demler教授领导的研究团队。研究人员使用一种称为激子umklapp的新型光谱技术观察了夹在六方氮化硼之间的单层二硒化钼，发现：密度低于每平方厘米 3 × 1011的单层半导体中的电子形成了 Wigner 晶体。

         第二篇论文中，美国哈佛大学的 Hongkun Park 教授和Eugene Demler教授在原子级薄的过渡金属二硫属化物异质结构中，没有磁场或莫尔电位的情况下观察到 Wigner 晶体。该异质结构由两个被六方氮化硼隔开的单层MoSe2组成。

       目前两个研究小组都想更详细地研究正常物质和这种奇异状态之间的相变，因为整个相变过程肯定还有很多中间阶段完全没有被探索过。

[ 本帖最后由 魔法师 于 2021-7-13 14:17(GMT0) 编辑 ]

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• 索隆十郎 金币 +5 感谢分享，论坛有您更精彩！ 2021-8-14 17:06

魔法师

接连两篇nature，感觉这方面会很快热起来。

最近，世界物理真是惊喜不断。虽然理论上的进步与之前相比放慢，但是在实验物理中进展飞快，有很多以前无法探测的现象被观察。

上帝粒子，引力波，石墨烯魔角，wigner 晶体等，这些有着重要意义的发现惊喜了世人。

但是，但是，感觉现在搞物理越来越花钱了。上帝粒子需要大型对撞机，引力波的天琴计划都是耗资巨大。