《Nature》：人类首次拍摄到电子固体画面！

‍维格纳晶体，使凝聚态物理学家着迷了近90年。二维维格纳晶体的特征，首次在高磁场下的二维电子气体中观察到。最近，在过渡金属二卤族moiré超晶格中也有报道。然而，在实空间中直接观测二维维格纳晶格，仍然是一个突出的挑战。传统的扫描隧道显微镜(STM)有足够的空间分辨率，但会引起可能改变这种脆弱状态的扰动。

在此，来自美国加州大学伯克利分校的Shaowei Li & Michael F. Crommie & Feng Wang等研究者，使用一种特别设计的非侵入性STM光谱技术，在WSe₂/WS₂ moiré异质结构中演示了二维维格纳晶体的实空间成像。相关论文以题为“Imaging two-dimensional generalized Wigner crystals”发表在Nature上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03874-9

维格纳晶体，是电子稳定在低电子密度下的结晶相，在低电子密度下，远程库仑相互作用支配着电子运动中的量子涨落。对维格纳晶体的长期研究，激发了高磁场下二维电子气体的研究，其中电子动能被简并朗道能级猝灭，并导致了新的量子霍尔态的发现。在非常干净的GaAs/AlGaAs量子阱以及在足够低掺杂和高磁场下的石墨烯中，已经报道了Wigner晶体态的电传输特征。维格纳结晶的迹象也探测到在液氦表面被困的电子。近年来，范德华异质结构中moiré平坦小带的发现，为零磁场下实现维格纳晶体态开辟了一条新途径。几种光学和电导测量提供了不同过渡金属二卤族(TMDC) moiré超晶格中丰富的广义维格纳晶体态的证据。对于二维维格纳晶体，在分数电荷填充因子下的新的输运和光学响应的证据是间接的，可以用其他量子相如分数量子霍尔态来解释。二维维格纳晶体，最直接的证据是二维电子晶格的实空间成像，这一直是一个突出的实验挑战。

二维维格纳晶体的实空间成像，对测量技术提出了严格的要求。它必须同时具有高的空间分辨率、高的单电子灵敏度和对电子晶格的低扰动。最后两个要求相互冲突，因为高灵敏度要求与维格纳晶体的强耦合，而低扰动要求弱耦合。例如，传统的扫描隧道显微镜(STM)测量具有良好的空间分辨率和电荷灵敏度，但由于不可避免的倾倒门控效应会破坏脆弱的维格纳晶格，因此具有很高的侵入性。

在这里，研究者利用了一种新的STM测量方案，在这两种相互竞争的要求之间取得平衡，从而实现了WSe₂/WS₂ moiré异质结构中n =2/3、n = 1/2和n = 1/3二维Wigner晶体态的实时空间成像。它使用了紧贴在WSe₂/WS₂moiré超晶格附近的石墨烯传感层。进入石墨烯层的局域STM隧道电流，由WSe₂/WS₂异质结构的底层Wigner晶体电子晶格调制。在分数电子填充n = 1/3, 1/2和2/3时，可以直观地看到不同的维格纳晶格构型，其中n为每个位点的电子数。n = 1/3和n= 2/3的维格纳晶体分别呈三角形和蜂窝状晶格，以减少最近邻的占用。n = 1/2态自发打破原来的C3对称，形成条纹相。

图1 双门控WSe₂/WS₂ moiré超晶格Wigner晶体态的STM测量。

图2 成像莫特和广义维格纳晶体态。

图3 随着V_bias的增加，n = 2/3状态下dI/dV图的演化。

综上所述，研究者新STM成像技术结合了高空间分辨率和灵敏度和最小扰动，允许在实空间中直接成像二维广义维格纳晶体。该技术应普遍适用于各种各样的范德华moiré异质结构，并为二维系统中新型相关量子相的实空间电子构型成像提供了强有力的工具。（文：水生）

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