化学中超晶胞是什么(仅由电子构成的奇异晶体)

在通常情况下，材料中的电子表现得像无序的液体。但在1934年，物理学家尤金·维格纳（Eugene Wigner）基于量子力学做出了一个理论预测。他提出，当金属中的电子的动能和密度可以降低到足够低的程度时，轨道上的电子会被“冻结”，在这种奇异的电子态下，电子之间的相互排斥力使它们自发地形成有序的排列，形成一种坚硬的、绝缘的晶体结构，这种结构被称为维格纳晶体（Wigner crystal）。

材料中的电子通常表现为无序液体（左），但在特定条件下可以形成规则的维格纳晶体（右）。| 图片来源：ETH Zurich

自那之后，这一预测一直被视为凝聚态物理学的圣杯。但是，维格纳晶体只能在极端条件下形成。这给在现实中实现这种晶体带来了障碍，直到1979年才首次在现实中被观察到。在过去的研究中，科学家在磁场中发现过这种结构，因为在磁场中动能可以被人为地抑制。

现在，两个科研小组使用更先进的技术，独立地观察到了更具说服力的结果。

在一项新的研究中，来自苏黎世联邦理工学院（ETH）的研究人员使用半导体材料——二硒化钼（MoSe₂）进行了一系列研究。实验中所用到的二硒化钼是一层只有原子厚的单层薄片，因此电子只能在其中在一个平面上移动。在实验中， 二硒化钼被夹在两个石墨烯电极之间，研究人员可以通过在石墨烯上施加电压来改变自由电子的数量。

根据理论，研究人员预测出实验中的二硒化钼应该在冷却到只有几开尔文时形成维格纳晶体。他们还计算发现，这种维格纳晶体中的电子之间的距离约为20纳米，大约为可见光波长的1/30。因此即使用最好的显微镜，也无法分辨这样的结构。

为了看清这些排列规则的电子，他们采用了一种被称为激子翻转光谱术（exciton umklapp spectroscopy）的技术。激子是一种重要的准粒子，在半导体中，当带负电的电子被光子激发，就会从低能级跃迁到高能级，从而留下一个带正电荷的空穴。激子指的就是相互吸引且彼此绕行的电子和空穴所形成的束缚态。（关于激子可进一步阅读：《等待了近一个世纪，这是它的第一张图像》）

在实验中，他们使用特定频率的光来激发半导体中的激子，产生激子的光的精确频率既取决于材料本身的性质，也取决于激子与材料中其他电子的相互作用——比如与维格纳晶体的相互作用。如果这些电子具有平移不变性，那么激子就“看不到”晶格；但如果这些电子已经形成了晶格，那么激子就会散射。

在半导体材料（蓝球和灰球）内由电子（红色）组成的维格纳晶体。| 图片来源：ETH Zurich

通过这种方法，研究人员证实了维格纳晶体大约会在温度降低到11开尔文时形成。他们成功地制造出了这种完全由电子构成的特殊晶体，是首个直接证实晶体中电子的规则排列的例子。

虽然维格纳晶体已经可以通过实验被观察到，但它们所隐藏的奥秘还有很多，比如维格纳晶体可以通过热量或者量子涨落熔化。这种相变正好处于物质从部分量子材料转变为部分经典材料的边界，有着许多不同寻常的现象和性质。对物理学家来说，他们一直无法理解晶体状态是如何由于量子涨落而相变为液体的。

在另一项研究中，哈佛大学的一组研究人员就试图通过实验来记录这一相变。我们知道在化学、物理和热力学中，相变发生在物质的固态、液态或气态发生变化时。在接近绝对零度的条件下，由量子涨落驱动这些变化被称为量子相变。这种量子相变被认为在许多量子系统中都起着重要的作用。

研究人员使用激子光谱术来捕捉这种相变。一般来说，维格纳晶体要求非常低的电子密度，这是实验中所面临的一个重大挑战。在一些较早的理论论文中，有科学家提出双层结构可能有助于稳定维格纳晶体。因此在实验中，研究人员观察的是双层二硒化钼从固态到液态的转变。

从电子液体到双层维格纳晶体的量子相变原理图，每个小球代表一个电子。| 图片来源：Ella Maru Studio in collaboration with Hongkun Park and You Zhou

他们制造了一种设备，可以对顶层和底层二硒化钼进行不同的静电掺杂。他们发现当以特定的密度比（如1:1、3:1、4:1、7:1）对上层和下层掺杂电子时，能意外地形成绝缘状态。这一发现在很大程度上是偶然的，他们在没有使用磁场的情况下发现了双层维格纳晶体。与ETH研究小组观察到的单层维格纳晶体相比，这种双层维格纳晶体可以承受高达40开尔文的温度和更高的电子密度。

这两项研究都于6月30日被刊登在了《自然》杂志上，标志着物理学家朝着创建一个研究量子级物质状态之间的转换的系统迈进了一大步。两个研究小组都希望能够更详细地观测正常物质和这种奇异状态之间的相变。ETH的研究人员认为，在这两种相之间肯定还有其他相，而这些阶段还完全没有被探索过。哈佛大学的研究人员对这样的结果感到非常惊喜，并表示接下来他们将继续使用这种方法研究其他的量子相变。

#创作团队：

文：小雨

#原文来源：

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2021/07/a-crystal-made-of-electrons.html

https://news.harvard.edu/gazette/story/2021/06/study-marks-major-step-to-creating-a-system-to-study-quantum-phase-transitions/

https://www.chemistryworld/news/best-sighting-yet-of-exotic-crystals-composed-entirely-of-electrons/4013942.article

#图片素材来源：

封面图：Ella Maru Studio in collaboration with Hongkun Park and You Zhou