1934年，物理学家尤金·维格纳(EugeneWigner)预测电子可以形成晶体。已经在液氦-4、强磁场下的二维电子气和二维半导体中看到了这种维格纳晶体的证据。然而，这些晶体很难直接观察到，因为它们很脆弱，任何微小的扰动都会改变它们。
那什么是维格纳晶体呢？让我们先考虑一个电子穿过金属导线的情况。该电子从电线的一端传到另一端，而不受其他电子的强烈影响，因此，才有电的产生。维格纳晶体是一种物质状态，在这种状态下，电子不是自由流动的独立单元，而是彼此相互作用以形成有序晶格。这些晶体是集体相——类似于与磁性或超导性相关的那些相——几十年来，它们的特性一直让物理学家着迷。
材料中的电子系统有两种能量来源：其动能与每个粒子的运动有关，其势能与粒子之间的排斥力有关。当系统有许多电子（彼此靠近）时，动能占主导地位，因为一个粒子的运动会导致附近粒子由于排斥而移动。在这种情况下，系统被称为处于液相。相比之下，当系统只包含几个电子（平均而言，彼此远离）时，粒子移动得更慢并且倾向于局部化。这个过程降低了系统的势能并构建了维格纳晶体。
首次实现对电子晶体的成像
鉴于此，来自于美国加州大学伯克利分校物理系王枫教授、Li Shaowei、Michael F. Crommie合作展示了使用专门设计的非侵入性扫描隧道显微镜（STM）光谱技术对WSe2/WS2莫尔异质结构中的二维维格纳晶体进行实空间成像。首次实现难以捉摸的“维格纳晶体”进行了成像。采用靠近WSe2/WS2莫尔超晶格的石墨烯传感层。进入石墨烯层的局部STM隧道电流由WSe2/WS2异质结构中的底层维格纳晶体电子晶格调制。n=1/3和n=2/3的电子填充下的维格纳晶体分别呈现三角形和蜂窝状晶格，以尽量减少最近邻占据。n=1/2状态自发地打破了原来的C3对称性并形成了条纹相。该研究为理解WSe2/WS2莫尔异质结构中的维格纳晶体状态奠定了坚实的基础，并提供了一种通常适用于在其他系统中成像新型相关电子晶格的方法。相关研究成果以题为“Imaging two-dimensional generalized Wigner crystals”发表在最新一期《Nature》上。其中Li Hongyuan 、Li Shaowei为本文的第一作者。
【实验方案设计】
研究人员结合使用扫描隧道显微镜和光谱学来证明特定的二维材料可以容纳维格纳晶体。这种材料包括一个二硫化钨单层，堆叠在二硒化钨单层之上，形成一个单一的物体，称为异质结构。这些单层是过渡金属二硫属化物——不到一纳米厚的半导体。这两个单层非常相似，但二硫化钨单层的晶格间距比二硒化钨单层的晶格间距略小。两个原子晶格之间的这种不匹配会产生一种称为莫尔图案的干涉效应。类似的图案可以出现在皱巴巴的网眼衬衫或电视屏幕的照片中。由不匹配的晶格形成的莫尔图案增加了电子的有效质量，从而降低了它们的平均动能。因此，在莫尔系统中比在“正常”材料中更容易形成维格纳晶相。
在扫描隧道显微镜中，一个极其锋利的金属尖端扫描样品。主要思想是，通过测量在施加电压下尖端和样品之间的电子“隧道效应”产生的电流，人们可以提取状态密度-与材料的电子特性相关的数量。然而，测量这种隧道电流需要样品上的金属接触，这已证明在低温下对过渡金属二硫属化物具有挑战性。
图 1. 双门控WSe2/WS2莫尔超晶格中维格纳晶体状态的STM测量
为了避免这个问题，研究人员将他们的异质结构放在一层石墨烯（单片碳原子）下，并测量石墨烯上而不是异质结构上的隧道电流（图1a）。还包括一层电绝缘体（六方氮化硼）以将石墨烯与二硫化钨隔离。这种设置保护异质结构免受显微镜尖端产生的外部扰动。尖端和石墨烯之间的局部电流取决于二维材料中的电子分布，从而可以直接对维格纳晶体进行成像。图1b显示了在顶部石墨烯表面测量的典型大尺度形貌图像。顶部石墨烯和h-BN层共形地覆盖WSe2/WS2异质结构，并继承了下方三维重构莫尔超晶格的形貌。图1c显示了对应于图1b中红色虚线框区域的放大地形图像。对于VTG =0，费米能级在WSe2/WS2异质结构的带隙内（见图1d）。在这种情况下，调谐VBG仅将电荷载流子掺杂到石墨烯层中。图1e显示了石墨烯在VTG =0下对于不同的VBG值的STM微分电导率(dI/dV)光谱的二维图。图1g显示石墨烯在VBG <7 V时是空穴掺杂的，而WSe2/WS2异质结构在这些条件下不能被空穴掺杂，给定图1f中所示的能带排列。图1h显示Vbias =0.1 V时门相关dI/dV光谱的垂直线切割，在这些分数填充处显示清晰的峰。
【空间成像与成像机制】
莫特绝缘体和维格纳晶态的二维电子晶格的实空间成像是通过石墨烯传感层的二维dI/dV映射进行的，如图2a所示。由图2a-2i的结果，研究员假设了石墨烯传感层辅助的广义维格纳晶格的dI/dV映射的成像机制。进入石墨烯层的STM隧道电流可以通过长程库仑相互作用与尖端下方的莫尔电子耦合。这种耦合可以通过两种不同的方式影响隧道电流：（1）局部莫尔电子可以在石墨烯传感层中引起局部带弯曲，从而改变石墨烯局部状态密度，从而改变dI/dV信号；（2）一旦Vbias超过阈值，Vbias的应用可以释放尖端正下方的莫尔电子。当其费米能级接近狄拉克点时，顶部单层石墨烯的电屏蔽较弱这一事实有助于这种机制。由于库仑阻塞效应的消除，由此产生的莫尔电子放电事件可能导致STM隧道电流的突然增加，从而导致更强的dI/dV信号。
图 2. 莫特绝缘体和广义维格纳晶体状态与成像
为了区分这两种机制，作者系统地检查了dI/dV图随着Vbias的变化而演变。图3a-e显示了 当Vbias从130 mV增加到190 mV时n=2/3维格纳晶体状态的dI/dV映射。这表明上面讨论的机制(2)是dI/dV图中维格纳晶格成像的主要对比机制。一旦Vbias足够大并且尖端电子距离足够短，STM尖端就会局部释放位于最靠近尖端顶点的AB1位点（图中红点）的莫尔电子。这使得可以在石墨烯传感层的dI/dV图中观察到以填充的AB1位点为中心的放电特征。
图 3. n = 2/3 状态的dI/dV映射的演化，Vbias增加
【总结】
本文报道的新STM成像技术将高空间分辨率和灵敏度与最小扰动相结合，并允许在真实空间中对二维广义维格纳晶体进行直接成像。该技术应普遍适用于各种范德瓦尔斯莫尔异质结构，并为二维系统中新型相关量子相的实空间电子配置成像提供了强大的工具。
全文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03874-9
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