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纯电子晶体:科学家制造出“圣杯”维格纳晶体

2021-07-04 10:35 · 稿源: cnbeta

据外媒报道,自古以来,水晶一直吸引着人们。即使人们知道这一切都是由原子和电子之间的吸引和排斥的简单相互作用造成,但这种魔力也不会停止。现在,由来自苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)量子电子学研究所的Ataç Imamoğlu教授领导的研究团队现在制造出了一种非常特殊的晶体。

跟普通晶体不同的是,它完全由电子组成。通过这样做,Imamoğlu他们证实了一个近90年前做出的理论预测。据悉,该预测自那以来一直被视为凝聚态物理学的圣杯。他们的研究结果最近发表在《自然》上。

几十年前的预言

“让我们感到兴奋的是这个问题的简单性,”Imamoğlu说道。早在1934年,量子力学对称性理论的创始人之一尤金·维格纳就指出,由于电子之间的相互电排斥力,从理论上讲,材料中的电子可以以规则的、类似晶体的方式排列。这背后的原因很简单:如果电子之间的电斥力大于它们的运动能量,它们就会以这样一种方式排列自己从而使它们的总能量尽可能小。

然而几十年来,这个预测仍只是纯粹的理论,因为那些“维格纳晶体”只能在极端条件下形成,如低温和材料中自由电子数量非常少。这在一定程度上是因为电子比原子轻数千倍,这意味着它们在规则排列下的运动能量通常会比电子之间相互作用产生的静电能量要大得多。

平面中的电子

为了克服这些障碍,Imamoğlu和他的合作者选择了一种晶片薄的半导体材料二硒化钼层,只有一个原子厚,因此,电子只能在其中在一个平面上移动。研究人员可以通过在两个透明石墨烯电极上施加电压来改变自由电子的数量,这样在这两个电极之间就夹有半导体。根据理论考虑,二硒化钼的电学性质应该有利于维格纳晶体的形成--整个装置被冷却到绝对零度零下273.15摄氏度以上几度。

然而,仅仅生产维格纳晶体是不够的。“下一个问题是证明我们的仪器中确实有维格纳晶体,”Tomasz Smoleński说道。他是这项研究的论文第一作者,同时也是Imamoğlu实验室的一名博士后。据计算,电子之间的距离约为20纳米,大约是可见光波长的30倍,因此即使用最好的显微镜也无法分辨。

通过激子检测

尽管在晶格中有微小的分离,物理学家设法让电子的规则排列可见。为此,他们使用特定频率的光在半导体层中激发所谓的激子。激子是一对电子和“孔”--后者由材料的一个能级中缺失的电子产生。产生激子的精确光频和激子运动的速度既取决于材料的性质也取决于跟材料中其他电子的相互作用,如跟维格纳晶体的相互作用。

晶体中电子的周期性排列产生了一种有时可以在电视上看到的效果。当自行车或汽车的速度越来越快且超过一定的速度时,轮子似乎是静止的然后转向相反的方向。这是因为相机每隔40毫秒拍一次车轮的快照。如果在这段时间内,规则间隔的辐条的车轮已经移动了精确的距离之间的辐条,车轮似乎不再转动。同样地,在维格纳晶体的存在下,运动的激子看起来是静止的,只要它们以由晶格中电子分离决定的一定速度运动。

第一次直接观察

“由哈佛大学的Eugene Demler领导的一组理论物理学家今年将前往ETH,他们已经从理论上计算了该效应如何在观察到的激子激发频率中显示出来--这正是我们在实验室中观察到的,”Imamoğlu说道。跟之前基于平面半导体的实验相比,通过电流测量间接观察到维格纳晶体是对晶体中电子规则排列的直接确认。在未来,通过这一新方法,Imamoğlu和他的同事们希望能够准确研究维格纳晶体是如何从无序的电子“液体”中形成的。

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