1934年 ， 量子力学的先驱尤金·维格纳提出了一种奇怪的物质 ， 一种由电子构成的晶体 。 在过去的80年里 ， 物理学家尝试了很多方法来推动电子形成这些所谓的维格纳晶体 ， 但收效有限 。 然而 ， 今年6月 ， 两个独立的物理学家小组在《自然》杂志上发表了迄今为止对维格纳晶体最直接的实验观察结果 。
要使电子形成维格纳晶体 ， 物理学家似乎只需将它们冷却下来 。 电子相互排斥 ， 因此冷却会降低它们的能量 ， 并将它们冻结成晶格 ， 就像水变成冰一样 。 然而 ， 冷电子遵循量子力学的奇异定律 ， 它们的行为就像波一样 。 波状电子不是固定在一个整齐有序的网格中 ， 而是倾向于四处晃动并撞击它们的邻居 。 本来应该是晶体的东西变成了一个更像水坑的东西 。
负责这项新工作的一个小组是偶然发现了维格纳晶体 。 研究小组正在一个“三明治”中试验电子行为 ， 这个“三明治”由一种异常薄的半导体薄片组成 ， 中间被一种电子无法通过的材料隔开 。 物理学家们将这个半导体三明治冷却到?230摄氏度以下 ， 并对每一层中的电子数量进行了研究 。
研究小组观察到 ， 当每一层中有特定数量的电子时 ， 它们都神秘地静止不动 。 不知何故 ， 半导体内部的电子无法移动 ， 他们最终想起了维格纳的观点 。 维格纳曾计算过 ， 平面二维材料中的电子会呈现出一种类似于完美覆盖着三角形瓷砖的地板的模式 。 这种晶体会完全阻止电子的移动 。
在这些晶体中 ， 每一层电子之间以及层与层之间的排斥力共同作用 ， 使电子排列成维格纳三角形网格 ， 这些力足以阻止量子力学所预测的电子溢出和晃动 。 但只有当每一层的电子数量达到顶部和底部晶格排列一致时 ， 这种行为才会发生：一层中较小的三角形必须完全填满另一层中较大的三角形内部的空间 。
当哈佛大学的研究小组意识到他们手上有维格纳晶体后 ， 他们迫使电子接受其量子波性质 ， 使其熔化 。 维格纳晶体的融化是一种量子相变 ， 类似于冰块变成水 ， 但不涉及任何加热 。 理论学家此前预测了这个过程发生的必要条件 ， 但这次新实验是第一次通过直接测量来证实这一点 。
【物理学家|将近90年的预测被物理学家实现：一种全由电子组成的维格纳晶体】过去的实验也曾发现了维格纳结晶的迹象 ， 但新的研究提供了最直接的证据 ， 因为它采用了一种新颖的实验技术 。 研究人员用激光照射半导体层以产生一种称为激子的粒子状实体 ， 同时材料将反射或重新发射该光 。 通过分析光线 ， 研究人员可以判断激子是与普通的自由流动电子相互作用 ， 还是与维格纳晶体中冻结的电子相互作用 。
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