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发表在这一期的《自然》杂志上的一篇重要论文中，一个国际物理学家团队报告说，成功地观察到了一种仅由电子组成的晶体。该论文的国际物理学家研究团队由苏黎世联邦理工学院量子电子研究所、哈佛大学物理系、慕尼黑工业大学物理系和高等研究所、德国量子科学与技术中心、德国功能材料研究中心、日本筑波国立材料科学研究所、日本国际材料纳米结构中心等的研究人员组成。论文作者中包括现苏黎世联邦理工学院量子电子研究所教授、在北京大学参与一新的二维材料研究小组的XiaoboLu(卢晓波)。论文题为：“单层半导体中电子维格纳晶体的特征”。90年前，匈牙利裔美国物理学家尤金·维格纳首次提出了仅由电子组成的晶体的想法。维格纳提出，对于低密度的过冷电子，它们之间的相互排斥力应该充当一种支架，将电子保持在一起但以相等的间隔分开，从而形成电子晶体，这种晶体被命名为维格纳晶体。维格纳基于量子力学作出的这个理论预测，在长达87年的时间里一直未观察到，直到年首次被观察到，但一直只能在半导体材料中观察到。该研究团队现在生产出了这种非常特殊的晶体。与普通晶体不同，它完全由电子组成。通过这样做，他们证实了近90年前所做出的理论预测，该预测一直被视为凝聚态物理学的一种重大追求。半导体材料（蓝色/灰色）内的电子（红色）维格纳晶体几十年前的预测研究人员表示，“是我们对这个问题感到兴奋的是它的简单性，”早在年，量子力学对称理论的创始人之一维格纳就表明，材料中的电子在理论上可以排列成规则的、类似晶体的图案，因为它们之间存在相互的电排斥。这背后的原因很简单：如果电子之间的电斥力的能量大于它们的运动能量，它们就会以这样一种方式排列自己，使它们的总能量尽可能小。然而，几十年来，这种预测仍然纯粹是理论上的，因为“维格纳晶体”只能在极端条件下形成，例如低温和材料中极少量的自由电子。部分原因是因为电子比原子轻数千倍，这意味着由于电子之间的相互作用，它们在规则排列中的动能通常比静电能大得多。如图所示材料中的电子通常表现为无序液体（左），但在特定条件下可以形成规则的维格纳晶体（右）。平面中的电子为了克服这些障碍，研究团队选择了一层薄薄的半导体材料：二硒化钼，它只有一个原子厚，因此电子只能在一个平面上移动。研究人员可以通过向两个透明石墨烯电极施加电压来改变自由电子的数量，半导体夹在它们之间。根据理论考虑，二硒化钼的电特性应该有利于形成维格纳晶体，前提是整个设备冷却到比负.15摄氏度的绝对零值高几度的超低温。然而，仅仅生产一个维格纳晶体是不够的。研究人员解释说，“下一个问题是证明我们的设备中确实有维格纳晶体。”电子之间的间隔被计算为约20纳米，即大约比可见光波长小30倍，因此即使使用最好的显微镜也无法解析。通过激子检测由于晶格中的间隔很小，物理学家们需要使用一种技巧设法使电子的规则排列可见。为此，研究团队使用特定频率的光来激发半导体层中的所谓的激子。激子是电子和“空穴”对，是由于材料能级中缺少电子而产生的。产生这种激子的精确光频率及其移动速度取决于材料的特性、以及与材料中其他电子的相互作用，这适用于维格纳晶体。这种晶体中电子的周期性排列产生的效果，就如有时我们可以在电视里看到。在电视里，比如当自行车或汽车行进越来越快，超过一定速度时，车轮看起来似乎静止不动，然后向相反的方向转动。这是因为相机每40毫秒拍摄一次车轮快照。如果在那个时间轮子的规则间隔的辐条，正好移动了辐条之间的距离，那么轮子似乎不再转动。类似地，在存在有维格纳晶体的情况下，移动激子看起来是静止的，只要它们以由晶格中电子分离确定的特定速度移动。如图所示装置结构和实验装置：(a)研究装置结构示意图，(b)用于磁光测量的实验装置的简化示意图。该器件由电荷可调的MoSe2单层组成，该单层与几层石墨烯薄片电接触，封装在两个hBN薄片之间，最后嵌入顶部和底部石墨烯栅极之间。hBN层的厚度——对于激发共振光谱分布的建模尤为重要——通过原子力显微镜确定。首先使用背磨胶带（UltronSystems）将所有薄片从合成（HQ石墨烯MoSe2、NIMShBN）和天然（石墨烯）块状晶体机械剥离到Si/SiO2基材上。实际的异质结构使用标准的干转移技术组装，其中使用覆盖有一层薄聚碳酸酯(PC)。然后在透明的蓝宝石衬底上释放出完整的叠层，随后将残留的聚碳酸酯层溶解在氯仿中。最后，石墨烯薄片与使用标准电子束光刻和金属蒸发制造的Ti/Au电极接触。在所有报道的实验中，MoSe2单层中的电子密度通过向顶栅施加电压Vt来控制，同时保持MoSe2和另一个栅极接地。当栅极电压向上或向下扫描时，样品几乎没有表现出电滞后，因为在这两种情况下达到给定密度所需的Vt值差异不超过0.1V。为了避免这种情况小的不确定性，在实验中，门总是在相同的方向上倾斜（从负值到正值）。图b显示测量中使用的实验装置安装在低温箱内，允许达到80mK的基础温度。将低温箱浸入装有超导螺线管的液氦浴低温恒温器中，在垂直于样品表面的方向上产生高达16T的磁场。使用波长为nm和线宽为20nm的宽带发光二极管(LED)测量器件的共振反射。LED光首先使用线性偏振器以及一组λ/2和λ/4波片进行任意偏振。然后它通过单模光纤传输到样品。光纤在低温箱内耦合到共聚焦显微镜物镜，该物镜由两个数值孔径NA=0.15（在光纤侧）和NA=0.68（在样品侧）的非球面透镜组成，允许将光聚焦到衍射极限点直径约0.5微米。光的积分功率保持在约15nW的低水平以避免加热样品。物镜安装在x-y-z压电平台上，允许以亚微米精度在样品表面选择合适的点。样品反射的光由同一根光纤收集，然后在由λ/2和λ/4波片以及沃拉斯顿棱镜组成的检测路径中进行分析，该棱镜允许将光束分成对应于两个分量样品的极化响应。然后通过光谱仪对这两种成分进行光谱分辨，并使用氮冷CCD相机并行记录。为补偿光纤中的法拉第旋转，根据在每次磁场变化后在反射光谱中观察到的共振，重新调整偏振设置。为提高检测到的偏振的保真度，入射光始终与当前分析的样品的σ±偏振响应共偏振。第一次直接观察就在该研究论文发表的同一期《自然》杂志上，同时还发表了另一篇关于维格纳晶体的重要论文，哈佛大学的一个物理学家团队报告说，记录了维格纳晶体的量子熔化，“研究标志着创建系统来研究量子相变的重要一步。”（参考2）哈佛大学的一组理论物理学家从理论上计算了：这种效应应该如何出现在观察到的激子激发频率中，而这正是这一国际研究团队在该实验中所观察到的。哈佛大学论文的主要作者与通讯作者之一、哈佛大学物理教授、尤金·德姆勒（EugeneDemler）也是这一篇论文的主要作者与通讯作者之一。通过使用光谱学来证明密度低于每平方厘米3×10^11的单层半导体中的电子形成维格纳晶体。高电子有效质量和减少的介电屏蔽相结合，即使在没有莫尔电位或外部磁场的情况下，也能观察到电子电荷顺序。共振注入的激子和排列在周期性晶格中的电子之间的相互作用改变了激子的能带结构，从而在光反射光谱中出现翻转（umklapp）共振，预示着电荷顺序的存在。该研究结果表明，电荷可调的过渡金属二硫属化物单层能够研究以前未知的多体物理学领域，其中相互作用能主导动能。与之前基于平面半导体的实验相比，通过电流测量间接观察维格纳晶体，这是对晶体中电子规则排列的直接确认。未来，该研究团队希望通过他们的这一新方法来研究维格纳晶体是如何从无序的电子“液体”中形成的。下面是《自然》杂志这一论文第一作者、苏黎世联邦理工学院量子电子研究所研究员TomaszSmoleński关于这一研究的视频讲座，以便进一步参考。33:57参考：

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