复旦团队首次直接成像维格纳晶体，亚单胞尺度捕捉电子固相

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物质通常以固、液、气三态存在。但在极端条件下，电子本身也能结晶，形成由纯粹电子构成的"固体"。这一现象早在1934年由物理学家尤金·维格纳预言，却因观测难度极大，始终如幽灵般存在于理论中。近日，复旦大学研究团队利用新型原子力显微镜技术，首次在亚单胞分辨率下直接"拍"到了这种维格纳晶体的真容，为强关联量子材料研究开辟了新路径。

维格纳晶体的本质很简单：当电子之间的库仑斥力远大于其动能时，它们会自发排列成规则的晶格结构，就像在桌面上均匀撒落的磁铁会彼此排斥、有序排列一样。这种状态下，电子不再自由流动，而是被"冻结"在固定位置。

复旦团队选择的材料是单层氯化镱（YbCl₃）。这种材料含有稀土元素镱的4f电子，这些电子被紧紧束缚在原子核周围，有效质量可达自由电子的数百倍甚至更高。研究人员发现，当单层YbCl₃堆叠在石墨衬底上时，约0.21个电子/平方纳米（相当于2×10¹³个/平方厘米）会从石墨自发转移到YbCl₃的平带能级中。这种电荷转移在界面形成了强烈的库仑关联体系，最终催生了维格纳晶体态。

值得注意的是，这种状态无需外加电场或磁场即可自发形成。传统上，科学家依靠电门控技术调控载流子密度（通常在10¹²/平方厘米量级），而复旦团队的"电荷转移结晶"方法将密度提升了一个数量级，达到10¹³/平方厘米。这推动电子间距进入纳米尺度，恰好落在量子动能与电子关联效应激烈竞争的区间内。

观测维格纳晶体一直是实验物理的噩梦。扫描隧道显微镜（STM）虽然分辨率高，但需要施加偏压。这种持续的电扰动会加热或干扰脆弱的电子晶格，导致维格纳晶体"融化"或无法成像。此前许多研究只能通过输运测量间接推测其存在。

复旦团队转而采用q-Plus型非接触原子力显微镜（AFM）。这种技术通过探测针尖与样品间的范德华力和静电力变化成像，几乎不向系统注入能量。当研究人员第一次扫出图像时，电子晶格的周期性排列随着扫描线逐行显现，其测得的电子密度与理论计算完全吻合。

这一突破证明，对于低维强关联体系，STM信号可能无法反映真实的电子波函数，而AFM提供了更温和的观测窗口。团队不仅确认了维格纳晶体的存在，还首次实现了亚单胞尺度的实空间成像，这在该领域尚属首次。

这项研究的意义不仅在于"看见"，更在于"创造"。团队发现，石墨衬底中留下的空穴与转移的电子形成束缚对，构成类氢的里德伯激子态。这实际上创造了一个天然的异质结，其中电子层和空穴层通过库仑力耦合在一起。

更重要的是，团队展示了通过材料设计调控量子态的可能性。不同材料的功函数差异决定了电荷转移的数量。未来，研究人员只需更换卤素元素（从氯改为溴或碘）或更换衬底，就能系统性地调节载流子密度，探索更广阔的相图。这比传统实验中微调门电压更接近"材料基因工程"的理念。

这种本征的强关联体系也为寻找Kitaev量子自旋液体——一种拓扑量子计算的理想载体——提供了新平台。虽然本次研究发现了维格纳晶体而非自旋液体，但证明了稀土卤化物家族蕴藏着丰富的量子物态。

从科学史维度看，二维电子气的维格纳晶体研究经历了几个关键节点。1990年代，半导体异质结中首次发现维格纳晶体迹象；2010年后，石墨烯和过渡金属硫化物提供了新平台；2018年以来，转角石墨烯的魔角平带引发了对关联电子态的狂热。 复旦团队的工作标志着中国在该领域从跟随者转变为引领者。

当前，二维量子材料研究呈现中美双雄并立的格局。美国在转角电子学和量子霍尔效应领域根基深厚，而中国在稀土磁性材料、强关联体系方面优势独特。复旦大学此次利用具有中国特色的稀土元素（镧系元素）突破，展示了中国科学家在材料合成和精密测量方面的综合实力。

未来竞争将聚焦于两个方向：一是利用此次发现的双层耦合系统（电子维格纳晶体+空穴层）探索激子晶体等玻色-爱因斯坦凝聚态；二是将此类技术应用于量子信息载体（如拓扑量子比特）的研制。中国在该领域的持续投入，正在将稀土资源优势转化为原始创新优势。

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