近日，來自加州大學伯克利分校的王楓和Michael Crommie團隊成功通過發展一種新的非侵入式掃描隧道顯微（STM）測量方法第一次實現了對二維廣義魏格納晶體的成像，研究成果發表于世界頂級期刊《自然》。西安交通大學物理試驗班2017屆校友李宏元為文章第一作者。

一般液體在溫度足夠低的時候會變成固體，比如水在低于0度時會結冰。這是因為分子的熱運動受到了抑制。類似的現象也可能出現在電子中。在一般材料中電子的動能會強于電子之間的庫倫相互作用，導緻電子表現得像一種氣體或液體。而如果我們能夠有效抑制電子的動能，進而讓電子間的庫倫相互作用占主導，則可能獲得一種新的關聯量子相，即全由電子構成的晶體——魏格納晶體。

不同一般由原子組成的晶體，魏格納晶體（Wigner crystal）是一種約90年前由匈牙利科學家尤金·魏格納(Eugene Wigner)提出的隻由電子構成的晶體。其一直以來都是凝聚态物理學家們搜尋的對象。然而要實現對這種純由電子構成的晶體的觀測并非易事。崔琦先生曾試圖在強磁場下二維電子氣體中觀測魏格納晶體，他的嘗試盡管沒有成功觀測到魏格納晶體，卻發現了分數量子霍爾效應，并因此獲得諾貝爾獎。要觀測魏格納晶體最主要的挑戰在于這種電子晶體非常脆弱。任何實驗觀測導緻的擾動都可能導緻電子晶體的融化。盡管此前人們在數種體系都間接測量到了魏格納晶體存在的證據。但至今仍沒有人能夠直接獲得這種晶體的圖像。

研究人員通過堆疊WS2和WSe2構建二維摩爾超晶格。在超晶格中電子動能被極大抑制，使得電子晶體出現。在不同電子密度下，電子晶格可以擁有不同的晶格結構。值得注意的是，在某些條件下電子晶體甚至可以擁有各項異性的晶格結構，打破了作為電子“容器”的二維摩爾超晶格所擁有的三重旋轉對稱性。

呈現蜂窩狀晶格的一種二維廣義魏格納晶體圖像

魏格納晶體的成像對觀測技術有着嚴苛的要求。其要求觀測技術同時擁有高空間分辨率、高單電子探測靈敏度及對探測體系足夠小的幹擾。傳統的STM測量能滿足前兩條要求，然而對被觀測體系卻有強幹擾。為了克服這一問題，研究人員創新性地采用一種感應層協助測量方式。單層石墨烯感應曾被放置在魏格納晶體不遠的表面上方，其一方面可以減弱STM測量的幹擾，另一方面可以像 “膠卷” 一樣感應到魏格納晶體的圖像。這種非侵入性的測量方式也可以應用到很多其他新奇關聯量子态的實空間測量。

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李宏元，2013年考入西安交大物理試驗班，2018年進入加州大學伯克利分校攻讀應用物理博士學位。在西安交大期間，李宏元曾獲包括國家獎學金、珠峰獎學金在内的多項獎學金。得益于西安交大的國際化培養政策，李宏元曾于本科期間赴英國格拉斯哥大學和美國德州農工大學交流學習。李宏元在讀博期間主要研究強關聯電子體系，此前曾以第一作者身份在《自然·物理》《自然·材料》等期刊發表文章。

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素材來源：西安交通大學官網

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