当电子被限制在二维平面内且相互作用足够强时，它们的行为会开始与普通电子截然不同。它们不再独立运动，而是排列成一种重复的图案，类似于常规晶体中原子的有序结构。
这种不寻常的排列被称为维格纳晶体（Wigner crystal）。科学家们对其进行了数十年的研究，因为这种晶体结构是由电子之间的相互作用产生的，而不是由容纳它们的材料的底层结构产生的。
尽管研究人员已经在多种物理系统中探测到了维格纳晶体，但要了解其内部发生的情况却困难得多。科学家们一直难以直接研究其中的电子如何集体运动、相互作用以及对外部扰动做出反应。
利用光探测维格纳晶体
在发表在《自然-物理学》的一项研究中，由巴塞尔大学Tomasz Smoleński教授领导的实验研究人员检查了一层被冷却至仅比绝对零度高几度的单原子层二硒化钨。
该团队照射该材料并仔细分析了从中反射的光。这些测量揭示了以前未曾见过的光学特征，其中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与光在材料中产生的激发（称为激子）之间的相互作用。这些组分共同形成了被称为维格纳晶体极化子的混合准粒子。这些准粒子充当高度敏感的光学探针，可以揭示晶体本身及其内部发生的集体运动。
“我们的测量表明，光不仅仅是探测这种奇异态的存在——它还能揭示该状态内部的行为方式，”来自巴塞尔大学的第一作者Lujun Wang博士说，他与Smoleński小组的博士生Ferdinand Menzel共同进行了这些实验。
“这为我们研究电子晶体的集体激发提供了一个强大的新工具，否则这些激发将极难触及，”Smoleński补充道。
电子相互作用塑造了光学信号
研究人员还发现，电子之间相互作用的强度会影响他们观察到的光学特征。这种联系使得这些信号对于研究强关联系统特别有用，在这些系统中，材料的行为源于许多粒子之间的相互作用，而不是单个粒子的独立作用。
为了解释这些实验发现，由慕尼黑工业大学（TUM）Michael Knap教授领导的理论团队开发了一个描述维格纳晶体极化子形成的模型。他们的工作解释了这些准粒子是如何通过光学产生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，这些信号不仅携带有关电子如何排列的信息，还携带有关其量子动力学的信息，”TUM的博士生Fabian Pichler解释道。“这使我们能够将实验观察结果直接与底层的多体物理联系起来。”
这些发现表明，原子级薄材料可以为观察电子在有序量子态内如何集体运动提供一个特别有用的平台。通过使这些隐藏的动力学更容易被研究，该方法可以帮助科学家更深入地理解强关联物质以及许多粒子相互作用时产生的复杂行为。