巴塞尔大学和慕尼黑工业大学的研究人员发现了一种新的方法，可以检查电子在维格纳晶体这一最难以捉摸的物质形态内如何一起运动。通过使用光来探测这种微妙的量子态，物理学家揭示了以前极难观察到的特性。当电子被限制在二维平面内并进行足够强的相互作用时，它们可以开始表现得与普通电子截然不同。它们不再独立移动，而是排列成类似于常规晶体中原子有序结构的重复图案。这种不寻常的排列被称为维格纳晶体。科学家们对其进行了数十年的研究，因为晶体结构是由电子之间的相互作用创造的，而不是由包含它们的材料的基本结构创造的。尽管研究人员已经在多种物理系统中检测到维格纳晶体，但理解其内部发生的事情却要困难得多。科学家们一直难以直接调查它们的电子如何集体移动，相互作用以及对外部干扰的反应。使用光探测维格纳晶体 在《自然物理学》上发布的一项研究中，巴塞尔大学托马斯·斯莫伦斯基教授领导的实验研究人员检查了一层仅在绝对零度以上几度冷却的二硒化钨单原子层。该小组照亮了该材料，并仔细分析了从中反射的光。那些测量揭示了以前未见的光学特征，包含了关于维格纳晶体内部电子集体行为的信息。这些信号源于有序电子之间的相互作用和光在材料中生成的激发（称为激子）所产生的激发。共同作用下，这些成分形成了一种称为维格纳晶体极化子的混合准粒子。这些准粒子作为高度敏感的光学探针，可以同时揭示晶体自身及其内部的集体运动。巴塞尔大学的第一作者刘军·王博士（与斯莫伦斯基小组的博士生费迪南德·门策尔一起进行实验）表示：“我们的测量显示，光不仅能简单地检测这种外来状态的存在——它还能揭示状态在内部的行为。”斯莫伦斯基补充道：“这为我们研究电子晶体的集体激发提供了一种强大的新工具，否则会极难获得。” 电子相互作用塑造光学信号 研究人员还发现，电子间相互作用的强度会影响他们观察到的光学信号。这种联系可能使信号在研究强关联系统时尤其有用，因为这些材料的行为源于许多粒子之间的相互作用，而不是单个粒子独立作用。为了考虑实验结果，慕尼黑工业大学（TUM）迈克尔·克纳普教授领导的理论小组开发了一个模型，描述维格纳晶体极化子的形成。他们的工作解释了这些准粒子是如何通过光学生成的激子与晶体中电子的集体运动耦合而产生的。 强关联量子物质的新视角 “特别令人兴奋的是，这些信号携带的信息不仅包括电子的排列方式，还包括它们的量子动力学，”TUM的博士生法比安·皮希勒解释道。“这使我们能够将实验观察直接与基本的多体物理学联系起来。”研究结果表明，原子级薄材料可以为观察电子如何在有序量子态中集体运动提供特别有用的平台。通过使这些隐藏的动力学更容易研究，这种方法可能帮助科学家发展对强关联物质及多粒子相互作用时出现的复杂行为的更深入理解。