当前位置: 未解之谜网 > 自然科学 > 核心没有原子核,首观察到全由电子组成的奇特“维格纳晶体”

核心没有原子核,首观察到全由电子组成的奇特“维格纳晶体”

2024年4月14日7:47 未解之谜网

    电子不需在原子周围聚结,也可自行组装成类似晶体的结构,这种具许多量子特性的假想物质状态“维格纳晶体”,终于首度被物理学家观察到!

    维格纳晶体(Wignercrystal)是最令人著迷的物质量子相之一,由量子论先驱、理论物理学家尤金·维格纳(EugeneWigner)于1934年首次提出,他推测电子之间的相互作用(排斥力)可能导致它们自发排列成紧密堆积、类似晶体的结构,且这种情况只在低密度与极冷温度条件下,电子彼此相互排斥时才会发生。

    当我们想到稳定晶体结构,通常代表原子之间具有吸引力,但完全由电子组成的维格纳晶体却纯粹靠电子彼此的排斥力,由于太奇怪了,导致这种假想物质状态很长一段时间都停留在理论中,直到后来展开一系列实验,才让电子晶体概念从猜想转变为现实。

    第一个实验于1970年代出现,当时贝尔实验室科学家将电子喷到氦表面创造出“经典”电子晶体,发现它们像晶体一样以刚性方式响应。然而实验中的电子相距很远,且表现得更像单一粒子而非内聚结构,但真正的维格纳晶体不遵循日常生活熟悉的物理定律,而是遵循量子物理定律,电子行为不像单一粒子而是像波。

    因此接下来数十年,许多实验提出制造量子维格纳晶体的方法,大幅推动研究进展,物理学家发现可以使用半导体将电子运动限制在原子薄层内,对结构施加磁场也会使电子绕圈移动,为结晶创造有利条件。但这些实验始终无法直接观察到维格纳晶体,只能暗示它的存在,或从电子流过半导体的方式间接推断它。

    首度直接观察维格纳晶体

    普林斯顿大学团队决定使用扫描隧道显微镜(STM)直接对维格纳晶体成像,这种设备依靠量子穿隧效应技术而不是光来观察晶体。材料则选择纯石墨烯,在实验中,研究人员将样品冷却到极低温度,并施加垂直于样品的磁场,使石墨烯薄层内形成二维电子气(two-dimensionalelectrongas,2DEG)系统,如此可以调整两层之间的电子密度。

    团队也因此发现,只要改变密度,电子就自发形成有序晶体。

    将电子置于磁场中会进一步限制它们运动,进而增加结晶机会,一开始电子彼此相距很远,以无序、无组织方式排列,然而随著密度增加,电子距离变近,电子之间的排斥力开始想推开彼此,但又碍于有限密度,电子无法无限分开,最终便形成一个紧密堆积、规则化的晶格结构,每个局域电子都占据一定空间。

    当这种转变形成,研究人员透过STM显微镜首度直接观察到维格纳晶体的存在。

    维格纳晶体也具有电子密度最佳点,密度太低电子就会互相推开,密度太高电子就会聚集在一起形成电子液体,只有在某个“黄金交叉点”,电子想逃开但被其他电子切断后路,呈现特定三角形几何结构,电子才会被锁在稳定位置形成维格纳晶体。

    研究人员还发现其他有趣现象,比如每个电子在晶格内的位置,于图像上却有一定程度的“模糊”,这种现象与海森堡测不准原理有关,反映出维格纳晶体的量子性质,值得未来投入更多研究。

    新论文发表在《自然》(Nature)期刊。

    (必须)

    (必须,保密)

    阿狸1 阿狸2 阿狸3 阿狸4 阿狸5 阿狸6 阿狸7 阿狸8 阿狸9 阿狸10 阿狸11 阿狸12 阿狸13 阿狸14 阿狸15 阿狸16 阿狸17 阿狸18

    真诚欢迎各科普媒体、机构、专家和网友与我们联系合作! QQ 404-455-307

    版权所有,保留一切权利! ©2011-2021 Designed by 未解之谜网 豫ICP备2021015254号-5

    sitemap