科學家成功捕捉電子分子晶體的影像

主要要點

• 伯克利實驗室和加州大學伯克利分校的研究人員直接拍攝了維格納分子晶體的影像，這是一種新的電子固體量子相。

• 維格納分子晶體之所以重要，是因為它們可能展現出新穎的傳輸和自旋特性，這對未來的量子技術如量子模擬可能是有用的。

• 這一突破得益於研究團隊的新型掃描隧道顯微鏡技術。

電子通常以高速穿過物質，無拘無束地移動。在1930年代，物理學家尤金·維格納（Eugene Wigner）預測，在低密度和低溫下，電子可以被引導到靜止的狀態，形成一種後來被稱為維格納晶體的電子冰。九十年後，在2021年，由伯克利實驗室材料科學部的高級教員科學家以及加州大學伯克利分校物理學教授的馮旺（Feng Wang）和邁克爾·克羅米（Michael Crommie）領導的團隊提供了這些電子晶體存在的直接證據。

現在，馮旺、克羅米及其團隊捕捉到了電子固體的新量子相——維格納分子晶體的直接影像。他們的研究結果發表在《科學》期刊上。

維格納晶體或電子冰的特徵是電子的蜂窩排列，而維格納分子晶體則擁有由兩個或更多電子組成的高度有序的“分子”模式。

“我們是第一個直接觀察到這一新量子相的團隊，這是非常意外的，” 鳳旺說，“這真的很令人興奮。”

多年來，科學家們一直試圖捕捉維格納分子晶體的直接影像，但由於掃描隧道顯微鏡（STM）探頭的電場傾向於破壞物質的電子結構，這一進展一直受到阻礙。

在這項新研究中，伯克利實驗室的研究人員通過最小化來自STM探頭的電場克服了這一障礙，這一進步使他們能夠觀察到維格納分子晶體精緻的電子結構。

在馮旺的實驗室中，他們通過將一層原子厚的二硫化鎢（WS₂）雙層置於49納米厚的六角氮化硼（hBN）層和石墨背閘之上，形成了一種稱為“扭曲二硫化鎢（tWS₂）摩爾超晶格”的納米材料。WS₂層以58度的扭轉角度堆疊在一起。

利用他們的掃描隧道顯微鏡（STM）技術，他們發現用電子摻雜tWS₂摩爾超晶格時，每個10納米寬的單元格被填充了僅有兩到三個電子。在一個令人驚訝的結果中，這些填充的單元格在超晶格中形成了摩爾電子分子的陣列，進而導致形成維格納分子晶體。

“低溫加上tWS₂摩爾超晶格產生的能量勢壓迫電子局部聚集，”馮旺解釋道，並補充說：“量子力學與電子-電子相互作用之間的相互作用使得本地化的電子進入維格納分子狀態。”

在未來的實驗中，馮旺、克羅米及其團隊希望利用他們的新STM技術更好地了解這一新量子相，以及它可能引導的潛在應用。

這項工作得到了美國能源部科學辦公室的支持，並得到了國家科學基金會的額外資助。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過對清潔能源、健康地球和發現科學的研究，為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決最大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個由加利福尼亞大學管理的多計畫國家實驗室，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。