晶体显示电子被压进了一个蜂窝状“材料包材料”的包子里

石墨烯片的扫描电镜图像显示其表面下有蜂窝状的“电子冰”。（图源于H.Li et al/《自然》）

物理学家们刚取得了有史以来第一张韦格纳晶格的图像——一个完全由电子组成的奇怪蜂窝状图形材料被包在另一材料之中。

韦格纳晶格学说是匈牙利物理学家尤金•韦格纳（Eugene Wigner）第一次在1934年创立的，但却让科学家们花了过八十年时间才最终探清“电子冰”的样貌。它美丽的首张图像显示电子们被压扁成一个紧致、重复的图形——它就像迷你蓝色蝴蝶的翅膀，或是一个压扁的奇怪三叶草。

这项研究背后的研究者们，在《自然》（Nature）期刊上发表言论说，尽管这既不是韦格纳晶格首次被仿真创造或其性质被研究，他们收集的视像证据依然是有史以来第一次能有力证明韦格纳晶格材料存在的证据。

“如果你说找到了电子晶，那就是骡子是马拿出来遛遛。”研究的共同作者王峰（Feng Wang）如是告诉自然新闻（Nature News），他同样是加州大学的一名物理学家。

在常规导体如银、铜，或者半导体如硅里面，电子们活动十分迅速，以至于它们几乎只能和彼此反应。但是在极低温下，它们速度会降至像缓慢地爬行，此时带负电电子之间的斥力开始占主导。高速移动的粒子一旦被拖停，它们将自我组织成一个重复的蜂窝状——正如图片这样，就是为了将总能耗降到最低。

为了在现实实践中见到这个反应，研究者们选择在两片只有原子厚度的半导体钨片间隙中捕获电子——两片钨分别产生二硫化钨和联硒化钨。之后，为去除任何可能的计划外电子，研究者们在俩钨片间隙施加一个电场后让夹层中的电子冷却至绝对零度上5摄氏度。这样便足够让高速电子完成一旦停下就形成韦格纳晶格重复结构的这一过程。

研究者们之后运用一个叫扫描隧道电子显微镜（扫描电镜）的仪器去观察这个新晶体。扫描电镜是通过在金属针尖上施加极小的电压，并用此针尖在对象材料表面上扫描来运作的，这个扫描过程会导致针尖上的电子跃迁到材料表面。针尖上电子跃迁率取决于其下材料的种类和针尖距离材料表面的高度，而电子们的集体跃迁会形成跃迁电流，因此研究者们就可以通过测量材料表面每一点的跃迁电流大小而构建出一个盲文般的材料二维表面形貌图。

但实验一开始，扫描电镜提供了太多的电流，以至于在扫描时“融化”了脆弱的电子冰晶。为了制止这种现象，研究者们在韦格纳晶体之上再插入一片单原子石墨烯层，让晶体与石墨烯反应并在其上留下印记方便扫描电镜读取——就像一个石墨烯式影印机。通过追踪石墨烯片上所有影像，扫描电镜成功捕获了韦格纳晶体的第一张照片，在重重质疑声下证明了其存在。

如今科学家们有了韦格纳晶体存在的决定性证据，他们便可以利用此晶体去解释多电子如何和彼此相互作用的更深层次系列问题，例如为什么晶体能自组织成有序的蜂窝状，以及它们又如何“融化”。这个解释将让科学家们有机会管中窥豹到极小微粒的一些最难以琢磨的性质。

相关知识

晶体是原子、离子或分子按照一定的周期性，在结晶过程中，在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体。

晶体的分布非常广泛，自然界的固体物质中，绝大多数是晶体。气体、液体和非晶物质在一定的合适条件下也可以转变成晶体。

晶体内部原子或分子排列的三维空间周期性结构，是晶体最基本的、最本质的特征，并使晶体具有下面的通性。