科学家发现了一个电子的量子晶体并观察它的融化

麻省理工学院的物理学家第一次在半导体材料中观察到高度有序的电子晶体并记录其熔化，就像冰融化成水一样。这些观察结果证实了量子力学中的一个基本相变，这在理论上是在80多年前提出的，但直到现在才进行实验记录。

由麻省理工学院物理学教授Raymond Ashoori和他的博士后Joonho Jang领导的团队使用了Ashoori小组开发的光谱技术。该方法依赖于电子“隧道效应”，这是一种量子力学过程，允许研究人员以精确的能量将电子注入感兴趣的系统 - 在这种情况下，是一个二维捕获的电子系统。该方法使用数十万个短电脉冲来探测半导体材料中的一片电子，这些材料被冷却到极低温度，刚好高于绝对零度。

利用隧道技术，研究人员将电子射入过冷材料中，以测量半导体片内电子的能态。在背景模糊的情况下，他们检测到数据急剧飙升。经过大量分析后，他们确定尖峰是从高度有序的电子晶体一致振动发出的精确信号。

随着电子密度的增加，基本上将它们装入片材内的更紧凑的区域，他们发现数据峰值射到更高的能量，然后完全消失，恰好在电子密度下，电子晶体已被预测融化。

研究人员认为，他们终于抓住了量子力学过程 - 量子力学中的一个相变，其中纯粹通过量子相互作用形成晶体结构的电子融化成更加无序的流体，以响应其密度的量子波动。

“我们看到了一些全新的东西，”Ashoori说。“很多人都在寻找很长时间来展示电子晶体熔化，我想我们已经做到了。”

Ashoori和Jang在“ 自然物理学 ”杂志上发表了他们的研究成果。他们的合着者是前麻省理工学院博士后Benjamin Hunt，以及普林斯顿大学的Loren Pfeiffer和Kenneth West。

一个结晶的想法

1934年，匈牙利裔物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)首次提出了电子晶体的概念。通常，诸如硅和铝之类的半导体金属能够以电子的形式导电，该电子以较低的速度绕乒乓传播，从而产生穿过材料的电流。

然而，在极端温度下，这些金属中的电子应该几乎停止运转，因为几乎没有热量来刺激它们的运动。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。

带负电的电子自然相互排斥。Wigner提出，对于低密度的过冷电子，它们的相互排斥力应该作为一种支架，将电子保持在一起，以相等的间隔分开，从而产生电子晶体。这种刚性装置，由此被制成Wigner晶体，应该将金属变成绝缘体而不是电导体。

通过量子隧道

自Wigner的提议以来，其他人试图在实验室中观察Wigner晶体，结果不确定。对于他们来说，Ashoori和Jang最初并不打算找到Wigner晶体，而只是想用他们的电子隧道技术探测二维电子片。

在过去的十年中，该小组已经开发并改进了其技术，其涉及通过屏障射击电子以探测另一侧的材料的能量状态。量子力学要求宇宙中的任何物体都有可能穿过或“穿过”一个看似难以穿透的障碍，而另一侧则不变。

这个想法是研究人员的隧穿技术的关键，在这种技术中，他们通过半导体屏障将电子射向下面的二维电子片。在那里，隧道电子可以引起周围电子的振动，研究人员可以根据隧道电子的已知能量来测量能量。

一个“偶然的发现”

在他们的实验中，该团队在铝砷化镓屏障下探测了半导体砷化镓片。研究人员将整个样品冷却至绝对零度以上的一小部分，并以不同的能量施加电子脉冲，然后分析得到的数据。

当Jang注意到数据中非常尖锐的峰值时，他通过以前的理论文献来解释这个特征并最终得出结论，鉴于峰值形成的温度和电子密度，它只能是水晶的标志。电子一致振动

“许多理论预测符合我们的观察，因此，我们认为，这是一支冒烟的枪，”Jang说。“我们观察到了电子晶体的振铃。”

研究人员更进一步，看看如果改变二维片材中的电子密度会发生什么。随着密度的增加，电子晶体的振动能量也随之发生，最终达到峰值，然后在理论预测晶体应该熔化的确切点消失。研究人员推测，电子晶体必须变得如此致密，以至于整个结构都会崩溃成一种更加无序，流动的状态。

Ashoori说：“没有人用这种分辨率来看待这个系统。” “这完全是一个偶然的发现。”

该团队正致力于进一步提高其电子隧道技术的分辨率，希望利用它来辨别电子晶体的特定形状。

“不同的晶体具有不同的振动模式，如果我们有更好的分辨率，我们可以确定振动曲线中是否存在表示不同模式或形状的某些峰值，”Ashoori说。“有理由相信我们可以随着时间的推移确定这一点。”