科学家首次捕捉到奇异的“电子冰”图像
来源：中国数字科技馆
物理学家们首次拍摄到了维格纳晶体的图像——一种完全由电子构成的蜂窝状结构，。
匈牙利物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)在1934年首次提出了这种晶体的理论，但科学家们花了80多年的时间才最终直接看到“电子冰”。这张令人着迷的图片显示，电子挤压在一起，形成一个紧密的、重复的模式——就像蓝色蝴蝶的翅膀，或者是外星三叶草。
这项研究发表在9月29日的《自然》（Nature）杂志上，研究人员说，虽然这不是第一次宣称创造出维格纳晶体，甚至也不是第一次对其性质进行研究，但他们收集的视觉证据是迄今为止这种物质存在的最有力证据。
“如果你说你有一个电子晶体，那就给我看看，”该研究的合著者、加州大学物理学家王峰(Feng Wang，音译)告诉《自然新闻》(Nature News)。
在普通导体（如银或铜）或半导体（如硅）内部，电子快速移动，几乎无法相互作用。但在非常低的温度下，它们会减速，而负电子之间的斥力开始占据主导地位。曾经高度流动的微粒逐渐停止运动，排列成重复的蜂窝状模式，以最大限度地减少它们的总能量消耗。
为了看到这一点，研究组设计了一种半导体设备产生维格纳晶体。这个设备包含两个特性相似的半导体原子薄层：二硫化钨和二硒化钨，再用电场调整在两个薄层之间自由移动的电子的密度。然后，在在间隙上施加电场以消除任何潜在破坏性的多余电子后，研究人员将他们的电子夹层冷却到接近绝对零度。果然，曾经快速的电子停止了下来，定格在维格纳晶体的重复结构中。
然后，研究人员使用一种叫做扫描隧道显微镜（STM）的设备来观察这种新晶体。STM的工作原理是在一个非常尖锐的金属尖端上施加一个微小的电压，然后在材料上方运行，使电子从尖端跃下到材料的表面。电子从尖端跳跃的速度取决于它们下面的东西，因此研究人员可以通过测量每一点流入表面的电流来建立一个二维表面的类似盲文的轮廓图。
但STM起初提供的电流对脆弱的电子冰来说太大了，接触时就“熔化”了它。于是，研究人员想到另一个办法，在维格纳晶体上方插入了一层石墨烯单原子层，使晶体与石墨烯相互作用，并在其上留下STM可以安全读取的印象——就像复印机一样。通过完全追踪印迹在石墨烯薄片上的图像，STM捕捉到了维格纳晶体的第一张快照，证明了它的存在。
现在他们已经有确凿的证据证明维格纳晶体的存在，科学家们可以用这种晶体来回答关于多重电子如何相互作用的更深层次的问题，比如晶体为什么按照蜂窝状的顺序排列，以及它们是如何“熔化”的。这些答案将让我们得以一窥这些微小粒子最难以捉摸的一些特性。
（独家编译：科幻世界）