一个从未见过的维格纳晶体，用扫描隧道显微镜观察。图片来源:普林斯顿大学徐彦辰及其团队

电子通常是在它们的原子周围飞舞，但一组物理学家现在拍摄了一种非常不同状态的粒子的图像:它们依偎在一起，处于一种被称为维格纳晶体的量子相中，核心没有原子核。

这个相位是以尤金·维格纳的名字命名的，他在1934年预测，当电子之间的某种相互作用足够强时，电子会在晶格中结晶。最近的研究小组使用高分辨率扫描隧道显微镜直接对预测的晶体成像;他们的研究发表在本周的《自然》杂志上。

普林斯顿大学(Princeton University)物理学家、该研究的资深作者阿里·亚兹达尼(Ali Yazdani)在一份大学新闻稿中说:“维格纳晶体是被预测到的最迷人的物质量子相之一，也是众多研究的主题，这些研究声称，最多只能找到它形成的间接证据。”

电子是相互排斥的:它们喜欢避开彼此。在20世纪70年代，贝尔实验室的一个团队通过将粒子喷洒在氦上创造了一个电子晶体，他们观察到电子的行为就像一个晶体。但这个实验被困在了古典领域。根据研究小组的说法，最近的实验产生了一个“真正的维格纳晶体”，因为晶格中的电子以波的形式运作，而不是像单个粒子一样粘在一起。

维格纳晶格。图片来源:普林斯顿大学徐彦辰及其团队

维格纳的理论是，电子的量子相是由于粒子的相互排斥而发生的，而不是尽管如此。但这只会发生在非常寒冷的温度和低密度的条件下。在新的实验中，研究小组将电子放在两层石墨烯片之间，彻底清除了材料缺陷。然后，他们冷却样品，并施加一个垂直于它的磁场。最高磁场强度为13.95特斯拉，最低温度为210毫开尔文。将电子置于磁场中进一步限制了它们的运动，增加了它们结晶的机会。

“电子之间有一种内在的排斥，”普林斯顿大学研究员、该论文的第一作者何敏豪在同一份新闻稿中说。“它们想把彼此推开，但与此同时，由于密度有限，电子不能无限分开。结果是，它们形成了一个紧密排列的、正则化的晶格结构，每个局域电子占据一定的空间。”

令研究小组感到惊讶的是，维格纳晶体在比预期更长的时间内保持稳定。然而，在更高的密度下，晶体阶段让位于电子液体。接下来，研究人员希望描绘出维格纳晶体相是如何在磁场下让位于电子的其他相的。

这是研究奇异物质的令人兴奋的日子，从仔细研究热的第二声到比以往任何时候都持续更长时间的晶体。通过探索物质的极限，物理学家将更好地理解构成我们宇宙的物质以及它们所遵循的神秘法则。