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凝聚态物理学的“圣杯”:Wigner晶体终于制造出来了

  凝残月        2021-07-13 13:34:36

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。

凝聚态物理学的“圣杯”:Wigner晶体终于制造出来了

图1.半导体材料(蓝色/灰色)内的电子(红色)Wigner晶体。来源:苏黎世联邦理工学院


80多年前已被预测,凝聚态物理学的“圣杯”---Wigner晶体


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。

凝聚态物理学的“圣杯”:Wigner晶体终于制造出来了

图2.二维空间中三角晶格结构的Wigner晶体,图中红色三角形和蓝色方形表示晶体中的拓扑缺陷。来源:Arunas.rv


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”。


借助新型光谱技术,80多年后科学家们终于摘得“圣杯”


直到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AtaçImamoğlu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。

凝聚态物理学的“圣杯”:Wigner晶体终于制造出来了

图1.单层Wigner晶体在零磁场和毫开尔文温度下的光学特征。


他们用光激发的、带中性电荷的偶极粒子轰击晶格,共振注入的激子和排列在周期性晶格中的电子之间的相互作用改变了激子的能带结构。通常材料中的电子表现为无序液体,而此时形成了规则的Wigner晶体,从而在光反射光谱中出现umklapp共振,预示着电荷顺序的存在。研究结果显示,Wigner晶体在大约11K时形成。

凝聚态物理学的“圣杯”:Wigner晶体终于制造出来了

图2.B=0时无序的电子液态和Wigner晶体之间的相变。


在第二篇论文中,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。

凝聚态物理学的“圣杯”:Wigner晶体终于制造出来了

图3.过渡金属二硫属化物异质结构和器件装置D1中载流子密度的完全控制


研究发现,在低温下两个MoSe2层在对称(1:1)和不对称(3:1、4:1和7:1)电子掺杂下表现出稳健相关绝缘状态的光学特征。研究人员将这些特征归因于由两个互锁相称的三角形电子晶格组成的双层Wigner晶体,通过层间相互作用稳定。值得注意的是,与瑞士小组观察到的单层Wigner晶体相比,双层Wigner晶体能够承受高达40K的温度和更高的电子密度(每平方厘米6×1012)。

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图4.双层Wigner晶体及其量子和热相变


两篇文章的共同通讯作者、哈佛大学的理论物理学家Eugene Demler教授表示:“有一些较旧的理论论文表明,双层可能有助于稳定Wigner晶体,令人惊讶的是,在Hongkun的实验中他们观察到了更加出乎意料的增强“。


据悉,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。


参考文献:


1.Smoleński,T.,Dolgirev,P.E.,Kuhlenkamp,C.et al.Signatures of Wigner crystal of electrons in a monolayer semiconductor.Nature 595,53–57(2021).https://doi.org/10.1038/s41586-021-03590-4


2.Zhou,Y.,Sung,J.,Brutschea,E.et al.Bilayer Wigner crystals in a transition metal dichalcogenide heterostructure.Nature 595,48–52(2021).https://doi.org/10.1038/s41586-021-03560-w

来源:高分子科学前沿

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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