核心没有原子核，首观察到全由电子组成的奇特“维格纳...

首度直接观察维格纳晶体



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（Wigner crystal）是最令人着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（Eugene Wigner）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。

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-dimensional electron gas，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，然而随着密度增加，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，研究人员通过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