一般液体在温度足够低的时候会变成固体，比如水在低于0度时会结冰。这是因为分子的热运动受到了抑制。类似的现象也可能出现在电子中。在一般材料中电子的动能会强于电子之间的库伦相互作用，导致电子表现得像一种气体或液体。而如果我们能够有效抑制电子的动能，进而让电子间的库伦相互作用占主导，则可能获得一种新的关联量子相，即全由电子构成的晶体——魏格纳晶体。
不同一般由原子组成的晶体，魏格纳晶体（Wigner crystal）是一种约90年前由匈牙利科学家尤金·魏格纳(Eugene Wigner)提出的只由电子构成的晶体。其一直以来都是凝聚态物理学家们搜寻的对象。然而要实现对这种纯由电子构成的晶体的观测并非易事。崔琦先生曾试图在强磁场下二维电子气体中观测魏格纳晶体，他的尝试尽管没有成功观测到魏格纳晶体，却发现了分数量子霍尔效应，并因此获得诺贝尔奖。要观测魏格纳晶体最主要的挑战在于这种电子晶体非常脆弱。任何实验观测导致的扰动都可能导致电子晶体的融化。尽管此前人们在数种体系都间接测量到了魏格纳晶体存在的证据。但至今仍没有人能够直接获得这种晶体的图像。
近日，来自加州大学伯克利分校的王枫和Michael Crommie团队成功通过发展一种新的非侵入式扫描隧道显微（STM）测量方法第一次实现了对二维广义魏格纳晶体的成像。研究成果发表于《自然》杂志上。西安交大物理试验班17届校友李宏元为文章第一作者。
呈现蜂窝状晶格的一种二维广义魏格纳晶体图像
研究人员通过堆叠WS2和WSe2构建二维摩尔超晶格。在超晶格中电子动能被极大抑制，使得电子晶体出现。在不同电子密度下，电子晶格可以拥有不同的晶格结构。值得注意的是，在某些条件下电子晶体甚至可以拥有各项异性的晶格结构，打破了作为电子 “容器”的二维摩尔超晶格所拥有的三重旋转对称性。
魏格纳晶体的成像对观测技术有着严苛的要求。其要求观测技术同时拥有高空间分辨率、高单电子探测灵敏度及对探测体系足够小的干扰。传统的STM测量能满足前两条要求，然而对被观测体系却有强干扰。为了克服这一问题，研究人员创新性地采用一种感应层协助测量方式。单层石墨烯感应曾被放置在魏格纳晶体不远的表面上方，其一方面可以减弱STM测量的干扰，另一方面可以像 “胶卷” 一样感应到魏格纳晶体的图像。这种非侵入性的测量方式也可以应用到很多其他新奇关联量子态的实空间测量。
李宏元，2013年考入西安交大物理试验班，2018年进入加州大学伯克利分校攻读应用物理博士学位。在西安交大期间李宏元曾获包括国家奖学金、珠峰奖学金在内的多项奖学金。得益于西安交大的国际化培养政策，李宏元曾于本科期间赴英国格拉斯哥大学和美国德州农工大学交流学习。李宏元在读博期间主要研究强关联电子体系，此前曾以第一作者身份在《自然·物理》《自然·材料》等期刊发表文章。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03874-9
