據外媒報道，自古以來，水晶一直吸引着人們。即使人們知道這一切都是由原子和電子之間的吸引和排斥的簡單相互作用造成，但這種魔力也不會停止。現在，由來自蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)量子電子學研究所的Ataç Imamoğlu教授領導的研究團隊現在製造出了一種非常特殊的晶體。
跟普通晶體不同的是，它完全由電子組成。通過這樣做，Imamoğlu他們證實了一個近90年前做出的理論預測。據悉，該預測自那以來一直被視為凝聚態物理學的聖杯。他們的研究結果最近發表在《自然》上。
幾十年前的預言
“讓我們感到興奮的是這個問題的簡單性，”Imamoğlu說道。早在1934年，量子力學對稱性理論的創始人之一尤金·維格納就指出，由於電子之間的相互電排斥力，從理論上講，材料中的電子可以以規則的、類似晶體的方式排列。這背後的原因很簡單：如果電子之間的電斥力大於它們的運動能量，它們就會以這樣一種方式排列自己從而使它們的總能量儘可能小。
然而幾十年來，這個預測仍只是純粹的理論，因為那些“維格納晶體”只能在極端條件下形成，如低溫和材料中自由電子數量非常少。這在一定程度上是因為電子比原子輕數千倍，這意味着它們在規則排列下的運動能量通常會比電子之間相互作用產生的靜電能量要大得多。
平面中的電子
為了克服這些障礙，Imamoğlu和他的合作者選擇了一種晶片薄的半導體材料二硒化鉬層，只有一個原子厚，因此，電子只能在其中在一個平面上移動。研究人員可以通過在兩個透明石墨烯電極上施加電壓來改變自由電子的數量，這樣在這兩個電極之間就夾有半導體。根據理論考慮，二硒化鉬的電學性質應該有利於維格納晶體的形成–整個裝置被冷卻到絕對零度零下273.15攝氏度以上幾度。
然而，僅僅生產維格納晶體是不夠的。“下一個問題是證明我們的儀器中確實有維格納晶體，”Tomasz Smoleński說道。他是這項研究的論文第一作者，同時也是Imamoğlu實驗室的一名博士后。據計算，電子之間的距離約為20納米，大約是可見光波長的30倍，因此即使用最好的顯微鏡也無法分辨。
通過激子檢測
儘管在晶格中有微小的分離，物理學家設法讓電子的規則排列可見。為此，他們使用特定頻率的光在半導體層中激發所謂的激子。激子是一對電子和“孔”–後者由材料的一個能級中缺失的電子產生。產生激子的精確光頻和激子運動的速度既取決於材料的性質也取決於跟材料中其他電子的相互作用，如跟維格納晶體的相互作用。
晶體中電子的周期性排列產生了一種有時可以在電視上看到的效果。當自行車或汽車的速度越來越快且超過一定的速度時，輪子似乎是靜止的然後轉向相反的方向。這是因為相機每隔40毫秒拍一次車輪的快照。如果在這段時間內，規則間隔的輻條的車輪已經移動了精確的距離之間的輻條，車輪似乎不再轉動。同樣地，在維格納晶體的存在下，運動的激子看起來是靜止的，只要它們以由晶格中電子分離決定的一定速度運動。
第一次直接觀察
“由哈佛大學的Eugene Demler領導的一組理論物理學家今年將前往ETH，他們已經從理論上計算了該效應如何在觀察到的激子激發頻率中顯示出來–這正是我們在實驗室中觀察到的，”Imamoğlu說道。跟之前基於平面半導體的實驗相比，通過電流測量間接觀察到維格納晶體是對晶體中電子規則排列的直接確認。在未來，通過這一新方法，Imamoğlu和他的同事們希望能夠準確研究維格納晶體是如何從無序的電子“液體”中形成的。