復旦團隊首次直接成像維格納晶體，亞單胞尺度捕捉電子固相

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物質通常以固、液、氣三態存在。但在極端條件下，電子本身也能結晶，形成由純粹電子構成的"固體"。這一現象早在1934年由物理學家尤金·維格納預言，卻因觀測難度極大，始終如幽靈般存在于理論中。近日，復旦大學研究團隊利用新型原子力顯微鏡技術，首次在亞單胞分辨率下直接"拍"到了這種維格納晶體的真容，為強關聯量子材料研究開辟了新路徑。

維格納晶體的本質很簡單：當電子之間的庫侖斥力遠大于其動能時，它們會自發排列成規則的晶格結構，就像在桌面上均勻撒落的磁鐵會彼此排斥、有序排列一樣。這種狀態下，電子不再自由流動，而是被"凍結"在固定位置。

復旦團隊選擇的材料是單層氯化鐿（YbCl?）。這種材料含有稀土元素鐿的4f電子，這些電子被緊緊束縛在原子核周圍，有效質量可達自由電子的數百倍甚至更高。研究人員發現，當單層YbCl?堆疊在石墨襯底上時，約0.21個電子/平方納米（相當于2×1013個/平方厘米）會從石墨自發轉移到YbCl?的平帶能級中。這種電荷轉移在界面形成了強烈的庫侖關聯體系，最終催生了維格納晶體態。

值得注意的是，這種狀態無需外加電場或磁場即可自發形成。傳統上，科學家依靠電門控技術調控載流子密度（通常在1012/平方厘米量級），而復旦團隊的"電荷轉移結晶"方法將密度提升了一個數量級，達到1013/平方厘米。這推動電子間距進入納米尺度，恰好落在量子動能與電子關聯效應激烈競爭的區間內。

觀測維格納晶體一直是實驗物理的噩夢。掃描隧道顯微鏡（STM）雖然分辨率高，但需要施加偏壓。這種持續的電擾動會加熱或干擾脆弱的電子晶格，導致維格納晶體"融化"或無法成像。此前許多研究只能通過輸運測量間接推測其存在。

復旦團隊轉而采用q-Plus型非接觸原子力顯微鏡（AFM）。這種技術通過探測針尖與樣品間的范德華力和靜電力變化成像，幾乎不向系統注入能量。當研究人員第一次掃出圖像時，電子晶格的周期性排列隨著掃描線逐行顯現，其測得的電子密度與理論計算完全吻合。

這一突破證明，對于低維強關聯體系，STM信號可能無法反映真實的電子波函數，而AFM提供了更溫和的觀測窗口。團隊不僅確認了維格納晶體的存在，還首次實現了亞單胞尺度的實空間成像，這在該領域尚屬首次。

這項研究的意義不僅在于"看見"，更在于"創造"。團隊發現，石墨襯底中留下的空穴與轉移的電子形成束縛對，構成類氫的里德伯激子態。這實際上創造了一個天然的異質結，其中電子層和空穴層通過庫侖力耦合在一起。

更重要的是，團隊展示了通過材料設計調控量子態的可能性。不同材料的功函數差異決定了電荷轉移的數量。未來，研究人員只需更換鹵素元素（從氯改為溴或碘）或更換襯底，就能系統性地調節載流子密度，探索更廣闊的相圖。這比傳統實驗中微調門電壓更接近"材料基因工程"的理念。

這種本征的強關聯體系也為尋找Kitaev量子自旋液體——一種拓撲量子計算的理想載體——提供了新平臺。雖然本次研究發現了維格納晶體而非自旋液體，但證明了稀土鹵化物家族蘊藏著豐富的量子物態。

從科學史維度看，二維電子氣的維格納晶體研究經歷了幾個關鍵節點。1990年代，半導體異質結中首次發現維格納晶體跡象；2010年后，石墨烯和過渡金屬硫化物提供了新平臺；2018年以來，轉角石墨烯的魔角平帶引發了對關聯電子態的狂熱。 復旦團隊的工作標志著中國在該領域從跟隨者轉變為引領者。

當前，二維量子材料研究呈現中美雙雄并立的格局。美國在轉角電子學和量子霍爾效應領域根基深厚，而中國在稀土磁性材料、強關聯體系方面優勢獨特。復旦大學此次利用具有中國特色的稀土元素（鑭系元素）突破，展示了中國科學家在材料合成和精密測量方面的綜合實力。

未來競爭將聚焦于兩個方向：一是利用此次發現的雙層耦合系統（電子維格納晶體+空穴層）探索激子晶體等玻色-愛因斯坦凝聚態；二是將此類技術應用于量子信息載體（如拓撲量子比特）的研制。中國在該領域的持續投入，正在將稀土資源優勢轉化為原始創新優勢。

Zhongjie Wang et al., "Intrinsic Heavy Wigner Crystal Forged by Transferred 4f Electrons", Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/h96x-9d3y.