在某些固体材料中，在特定条件下，库仑相互作用将电子塑造成许多体相关态，例如维格纳晶体，这本质上是由电子构成的固体。截至目前，维格纳晶体状态仍然对各种实验扰动非常敏感。揭示其在原子尺度上的内部结构和排列更具挑战性。
复旦大学的研究人员提出了一种新的方法来研究强相关二维（2D）系统中的维格纳晶体状态。他们成功地在一种由单层氯化镱（YbCl₃）堆叠在石墨上的精心设计的材料中制作了亚单位晶格分辨率的维格纳晶体状态图像。
该研究已经在期刊 Physical Review Letters 上 发表。
论文的共同作者高春雷告诉Phys.org：“大家都知道，4f电子的独特性质导致了一些金属系统中重费米子行为等现象。”
“然而，关于稀土卤化物的研究相对较少，这使我们相信在这类材料中可能也会有惊人的发现。我们最初的兴趣是受到理论建议的启发，认为YbCl₃可能是一个基塔夫系统——一个可能承载量子自旋液体状态的候选者。”
转移的4f电子组织成Wigner晶体
作为研究的一部分，研究人员进行了理论指导的计算，使他们能够揭示样品中电荷的分布。计算显示，大量电子（约0.21 e/nm²）从底部的石墨转移到YbCl₃单层，留下了基底中的空穴。
“由此产生的库仑吸引力将这些电子和空穴结合在一起，形成类似氢原子的赖德堡态层间激子，”论文的共同作者王忠杰说。
“界面电荷转移的普遍性早已为人所知，我们常常想知道它在扫描隧道显微镜（STM）中如何直接体现出来。局域的4f电子的独特性为我们提供了一个清晰的窗口来观察这一现象。这个发现引出了我们下一个令人兴奋的问题：这些转移的高密度4f电子——现在形成一个强相关的二维系统——在实际空间中是如何组织的？”
强大的库仑排斥力与超平坦的4f电子带自然形成一个电子层，这很可能处于Wigner晶体状态，这与他们收集的STM数据中观察到的一些模糊但神秘的超晶格相呼应的。
“这些线索促使我们采用q-Plus AFM，这是一种最小化静电干扰和探针与样品之间的扰动的技术，”论文的共同作者尹立峰说。
“这种方法使我们能够直接成像由转移的4f电子所形成的维格纳晶体。在这次探索中，第一次进行AFM实验时有一个特别令人难忘的时刻：随着扫描的进行，新图像线逐渐出现，维格纳晶体的晶格逐渐显现出来，测得的电子密度与我们的理论预估完全一致。”
研究奇异物理的新平台
本研究的一个关键创新是研究人员使用q-Plus AFM对样品进行测量，最终获得了维格纳晶体的首个亚单位晶格分辨率图像。
“我们发现这些电子高度局域化，并表现出很强的相互库仑排斥，”论文的共同作者Jian Shen说。“这使得它们具有巨大的有效质量——是自由电子的数百倍，甚至更重。”
研究人员表明，这些在YbCl₃中的“重电子”自发组织成维格纳晶体相，完全不需要外部调节。他们观察到的维格纳晶体相的特点是创纪录的高电子密度和异常高的熔化温度。
“尽管在通过电门创造奇异态方面取得了很大进展，但我们的‘电荷转移结晶’方法本质上提供了一种稀薄但高度关联的2D电子系统，使用具有内在平带的4f电子，”Gao说。“这为调节、探索和研究多体现象提供了一个天然环境。”
之前介绍的用于实现二维系统中奇异态的门控技术的研究发现其载流子密度可达到约 10¹² /cm²。另一方面，研究人员提出的新界面转移方法具有约 10¹³ /cm² 的更高载流子密度。
“这使得平均电子间距进入纳米范围，扩展了研究量子动能 (t) 和电子关联 (U) 之间基本竞争的范围，”尹解释道。“我们的工作还表明，异质结构中的功函数差可以被设计来调节转移电荷的密度——提供了一种基于材料的调节手段。”
未来研究的方向
这些研究人员的初步结果突显了 qPlus AFM 技术在表征维格纳晶体方面的潜力，显示仅依靠 STM 信号可能无法直接反映低维系统的真实电子波函数。其他团队可能很快会从这项工作中获得灵感，着手使用 qPlus AFM 检查更强关联的系统。
“我们的发现为进一步研究打开了几个令人兴奋的方向，”高说。“首先，留在石墨基底上的孔层与 4f 维格纳晶体形成了耦合系统。这个孔层的结构和潜在的多体态——可能表现为激子晶体或其他相关的费米子/玻色子复合体——代表了未来研究的一个迷人主题。”
尽管它们具有原子级分辨率，但与 STM 和 AFM 相关的表面探针无法探测到二维材料中埋藏的孔层。
在他们的下一项研究中，Gao 和他的同事将尝试使用其他实验方法来研究这一层，例如收集传输和角分辨光电子能谱（ARPES）测量。
Gao 补充道：“我们还计划系统地改变材料中的卤素元素（例如，从 Cl 变为 Br 或 I），并将它们与不同的基底配对。”
“这将改变电子亲和力和功函数的对齐，使我们能够调节转移的电荷密度。我们的目标是探索更广泛的相图，可能揭示这些内在相关的 4f 电子系统中的新量子基态和相变。”
本文由我们的作者 Ingrid Fadelli 撰写，Sadie Harley 编辑，Robert Egan 进行事实核查和审阅——这篇文章是经过仔细人工审核的结果。我们依赖像您这样的读者来支持独立的科学新闻。如果这篇报道对您很重要，请考虑捐赠（特别是每月捐赠）。
更多信息： Zhongjie Wang 等，内在重 Wigner 晶体由转移的 4f 电子铸成，物理评论快报（2025）。 DOI: 10.1103/h96x-9d3y。
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