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    85年前预测的“量子晶体”终于被看见了

    当相互排斥的电子被限制在一个小空间时,它们可以形成一种有序的晶体状态,称为维格纳晶体。观察这种脆弱的晶体非常棘手,因为它需要包括低温和密度在内的极端条件,以及非侵入性成像探头。为了克服成像的挑战性,I. Shapir和以色列、罗马尼亚和匈牙利物理和凝聚态物理系的一个研究小组在碳纳米管(NT)中创造了容纳电子的条件。

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    遵循这个实验步骤,使用第二个纳米管作为探针(称为“探针NT”)扫描第一个纳米管(称为“系统NT”)。物理学家测量了电子密度,并证明了它们与理论预测的一致性,证明了一维(1-D)中多达6个电子的维格纳小晶体,其研究结果发表在《科学》上。

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    80多年前,物理学家尤金·维格纳预测了电子的量子晶体,这仍然是最难以捉摸的物质状态之一。在目前研究中开发了一种技术,通过在真实空间中成像维格纳晶体的电荷密度来直接成像一维维格纳晶体。

    85年前预测的“量子晶体”终于被看见了

    获得了一些被限制在一维中的电子图像,这些图像与强相互作用晶体的理论预测相符。科学家们用集体隧穿的方式观察了晶体的量子性质,这种隧穿是通过一个由电独立门构成的势垒来实现。这项研究为小维格纳晶体的形成提供了直接证据,为研究电子在真实空间中多体密度成像的脆弱相互作用状态铺平了道路。物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)在1934年的论文中预测,当电子系统中的长期库仑相互作用主导动能和无序时,它们将以晶体基态出现。

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    不管电子的量子数是多少,它们都是分开的。实验物理学家开始在最干净的电子系统中寻找这种量子晶体,包括液氦和低维半导体异质结构。物理学家以前曾在二维(2-D)电子系统中对传输、微波场、核磁共振、光学、隧穿和双层电子系统进行测量,以表明在高磁场下晶体的存在。在无限系统中观察一维(一维)晶体状态是不可预料的,因为热和量子涨落会破坏长期秩序。然而,在有限系统中,由于准长程序产生了晶体关联,物理学家们已经研究了理论上的一维维格纳晶体态。

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    实验物理学家通过输运测量对这种状态进行了实验探测,但实验只能探测这种状态的宏观性质。理论上,需要一种合适的成像工具来观察维格纳晶体在实际空间结构中的清晰指纹。因此,科学家们使用扫描探针进行实验,尽管他们只能成像非交互状态或显示探针的侵入性门控。这些测量结果强调了用传统扫描方法成像电子相互作用的固有困难。为了独立地分辨和识别电子,宏观、金属的或介电体的尖端应该靠近电子,而不是相互分离。

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    然而和它们之间相互作用会极大地扭曲所研究的状态。因此,科学家们需要一个不同的扫描探针来成像一个相互作用的状态或电子系统。在研究中开发了一种扫描探针平台,该平台使用碳纳米管(NT)作为一种高灵敏度、微创扫描探针来观察强相互作用电子的多体密度。该平台包含一个定制的扫描探针显微镜,在低温(~ 10mk)下工作,其中两个相对的NT设备可以近距离放置并相互扫描。科学家们用一个设备作为研究对象的一维平台,用另一个垂直于该平台的设备作为研究对象。

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    用纳米组装技术将两个设备组装在一起,形成了悬挂在金属门阵列上方的原始NTs。科学家们通过将NTs悬浮在金属栅极上方400纳米处,关键是保持了系统中的强相互作用和低无序,从而获得了维格纳晶体。然后使用10个电独立的栅极,设计了一个电位,将电子限制在相距1微米的两个屏障之间,将它们集中在长悬浮的纳米管中,远离触点以防止不希望的相互作用。使用高度不透明的屏障来防止束缚电子波函数与NT其余部分电子的波函数杂化。

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    由于这种情况下的输运受到高度抑制,科学家们使用位于同一NT的一个单独段上的电荷检测器来探测束缚电子。研究展示了成像技术的工作原理,即所谓的“扫描电荷”,从最简单的实验开始,成像一个一维盒子中单个电子的电荷分布。测量了系统对扫描扰动(搅拌)的能量响应,并直接确定了系统的密度分布。通过测量系统的能量作为探测器NT的函数,科学家们直接解决了电子的密度剖面。当测量能量时,将其与引线中的费米能量联系起来。

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    并将探针产生的扰动归因于两个NTs之间的分离以及探针内的束缚电荷。实验表明6个电子的密度差增加了最小扰动系统NT,表现都与一个电子扫描探针NT。成像密度资料单粒子物理学预言显然不同于那些没有匹配的强烈相互作用的晶体。当增加电子的数量时,电子间距减小,尽管它们的整体速度增加,表示电子被限制在有软壁的“盒子”中。得到的图像提供了对电子维格纳晶体的直接、真实空间观察。为了定量地理解测量结果,进行了密度矩阵重整化群(DMRG)计算,并包含了长期库仑相互作用。

    85年前预测的“量子晶体”终于被看见了

    所测得的电子位置与DMRG所预测的电子位置吻合得很好,使所观察到的晶体在实验装置中处于强相互作用状态。为了理解维格纳晶体的量子本质,科学家测量了晶体的隧穿特性,并期望晶体中电子之间的相互关系能够共同导致晶体隧穿势垒。观察到,在一个不止一个电子的系统中,隧穿微分密度变得更加有趣,因为它显示了集体运动的直接指纹。研究人员使用了一种新的方法来直接成像相互作用电子的空间顺序。基于这些结果,预计有可能解决与量子电子晶体相关的其他基本问题,包括其磁性排列的性质。

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