完全由電子構成的物質原來長這樣

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【大紀元2021年10月12日訊】(大紀元記者高文森編譯報導)維格納晶體(Wigner crystal)是一種完全由電子構成的奇異物質,一位理論學家最早在90年前提出它的存在。現在,一個研究組宣佈造出了這種晶體,並第一次拍攝下了照片。

這項研究的主要作者之一加利福尼亞大學伯克利分校(University of California, Berkeley)的物理學家王峰(Feng Wang,音譯)說,在此之前其它研究也宣稱造出過維格納晶體,但是,他們的研究第一次拿出照片作為證據。

研究組設計了一種半導體設備產生維格納晶體。這個設備包含兩個特性相似的半導體原子薄層:二硫化鎢和二硒化鎢,再用電場調整在兩個薄層之間自由移動的電子的密度。

在普通的材料內,電子移動的速度太快,所以受到電子之間負電荷排斥力的影響不大。理論物理學家尤金·維格納(Eugene Wigner)以前預測說,如果電子移動的速度放慢到一定程度,排斥力的影響將主導電子的行為,電子將自動找到一種使它們總體能量保持最低的排列方式穩定下來,比如排成蜂窩狀。

王峰和同事把它們造出的設備冷卻到接近絕對零度的水平,的確在兩層材料的中間出現了蜂窩狀的維格納晶體。

研究介紹說,他們想到使用掃描隧道顯微鏡(STM)拍攝形成的維格納晶體。這種設備的金屬探頭在被成像物體表面移動的時候,電壓引起電子離開探頭產生電流。隨著探頭在物體表面的移動,電流強度的變化反映出物體表面電子所在的位置。

但是他們第一次嘗試失敗了,因為顯微鏡探頭的電流破壞了脆弱的維格納晶體。他們想到另一個辦法,在維格納晶體的表面墊上一層只有單層原子薄的石墨烯薄片。維格納晶體一旦出現,會輕微改變石墨烯材料內電子的結構,而顯微鏡能夠探查到這種變化。

他們最終拍攝的照片清晰地展示了維格納晶體的形態,證實了它裡面有序的晶格結構。研究還發現,正如預料的那樣,維格納晶體裡面電子間的距離是半導體材料內原子之間距離的近百倍。

這份研究9月29日發表於《自然》(Nature)期刊。◇

責任編輯:朱涵儒

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