发表在这一期的《自然》杂志上的一篇重要论文中，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。”

论文题为：“过渡金属二硫属化物异质结构中的双层维格纳晶体”。论文第一作者为原哈佛大学博士后研究员、现为马里兰大学助理教授的周游（YouZhou，音译）。

维格纳晶体

年，匈牙利裔美国物理学家尤金·维格纳首次提出了电子晶体的想法。通常，硅和铝等半导体金属能够以电子的形式导电，这些电子以闪电般的速度来回移动，从而产生通过材料的电流。

然而，在超低温下，这些金属中的电子应该几乎停止运转，因为几乎没有热量可以刺激它们的运动。那么，电子确实表现出的任何运动都应该是由于量子相互作用——单个电子与其他量子亚原子粒子之间的无形力。

带负电的电子自然会相互排斥。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。这种刚性排列，后来被命名为维格纳晶体，应该将金属变成绝缘体而不是电导体。

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。

在实践中，很难通过实验实现维格纳晶体，因为量子力学涨落会压倒库仑排斥并迅速导致无序。需要低电子密度。一个值得注意的例子出现在具有低电子密度或高磁场的量子点中，其中电子在某些情况下会自发地定位，形成所谓的旋转“维格纳分子”，一种适应于有限尺寸的晶体状状态量子点。

年，发表在《自然物理》上，麻省理工的科学家报告说，检测到电子的量子晶体并“观察”它融化，就像冰融化成水一样。捕捉到的量子熔化的过程是量子力学中的一种相变，其中纯粹通过量子相互作用形成晶体结构的电子熔化成更无序的流体，以响应其密度的量子涨落。

年，发表在《物理评论快报》上，一个中外科学家团队报道，通过结合电荷和自旋检测的横向磁聚焦，被用于直接探测维格纳晶体、及其在宽度可调的一维量子线中的自旋特性。它不仅提供了直接证据，而且通过揭示结构和自旋相图更好地理解锯齿形维格纳结晶的性质。

年5月，发表在《科学》杂关于“一维电子维格纳晶体成像”的文章，为小维格纳晶体的形成提供了直接证据。

实验记录维格纳晶体的量子熔化

然而，物理学家仍然难以捉摸的是：在响应量子涨落的情况下，晶体状态融化成液体。现在，将近90年后，该研究团队的物理学家终于通过实验记录了这样的转变，标志着朝着创建一个系统迈出了一大步，该系统可以在量子水平上研究物质状态之间的此类转变，这是这一领域长期追求的目标。

研究人员说：“这正好处于从部分量子材料转变为部分经典材料的边界，并且具有许多不寻常且有趣的现象和特性。”“晶体本身已经被看到，但是这种原始的转变——当量子力学和经典相互作用相互竞争时——还没有被看到。这已经花了86年的时间。”

如图所示从电子液体到双层维格纳晶体的量子相变示意图，每个球代表一个电子。

研究小组专注于观察维格纳晶体及其在研究中的相变。在化学、物理学和热力学中，当物质从固体、液体或气体变为不同状态时，就会发生相变。当接近绝对零温度的量子涨落驱动这些转变时，它们被称为量子相变。这些量子跃迁被认为在许多量子系统中发挥着重要作用。

在维格纳晶体的情况下，晶体到液体的转变源于电子的经典和量子方面之间的竞争——前者在固相中占主导地位，其中电子是“粒子状”，而后者在液体中占主导地位，其中电子是“波状的”。对于单个电子，量子力学告诉我们粒子和波的性质是互补的。

研究人员表示，“令人惊讶的是，在一个由许多相互作用的电子组成的系统中，这些不同的行为表现在物质的不同阶段，”“由于这些原因，电子固液转变的性质引起了巨大的理论和实验兴趣。”

研究人员开发了一种新型实验技术来观察原子级薄半导体双层中的这种固液转变。一般来说，维格纳结晶需要非常低的电子密度，这使得其实验实现成为一项重大的实验挑战。通过用两个原子级薄的半导体构建两个相互作用的电子层，研究人员创造了一种结晶在更高密度下稳定的情况。

为了观察这种转变，研究人员使用了一种称为激子光谱的方法。这使用光来激发系统中的电子并将其与留下的电子空位或空穴结合，形成称为激子的类似氢的电子-空穴对。这对电子与材料中的其他电子相互作用并修改其他电子，以便可以看到它们。

研究人员在论文中具体报告说：

“多电子系统中强相互作用的第一个理论上预测的表现之一是维格纳晶体，其中电子结晶成规则的晶格。晶体可以通过热涨落或量子涨落熔化。由于库仑相互作用和动能的复杂相互作用，维格纳晶体的量子熔化预计会产生奇异的中间相和量子磁性。然而，在量子体系中研究二维维格纳晶体通常需要强磁场或莫尔超晶格势，从而限制了对相互作用电子液体的完整相图的访问。该研究报告了在原子级薄的过渡金属二硫属化物异质结构中没有磁场或莫尔电位的双层维格纳晶体的观察，该异质结构由两个被六方氮化硼隔开的MoSe2单层组成。在低温下观察了两个MoSe2层在对称和非对称电子掺杂下的稳健相关绝缘状态的光学特征。该研究将这些特征归因于由两个互锁相称的三角形电子晶格组成的双层维格纳晶体，通过层间相互作用稳定。维格纳晶相非常稳定，并且在高达每平方厘米6×10^12的电子密度和高达约40开尔文的温度下经历量子和热熔融转变。研究结果表明，原子级薄的异质结构是一个高度可调的平台，用于实现多体电子态并探测它们的液固和磁量子相变。”

研究人员计划使用他们的新方法继续研究其他量子相变。“我们现在有了一个实验平台，现在可以测试所有这些[不同的量子相变]预测。”

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