就像不安分的孩子为一张全家福摆姿势一样，电子不会在任何固定的位置停留足够长的时间。
康奈尔大学的研究人员将二维半导体叠加在一起，创造了莫尔超晶格结构，这种结构将电子捕获在重复的模式中，最终形成了长期假设的维格纳晶体。
现在，科奈尔领导的一个合作小组已经开发出一种方法，将二维半导体堆叠在一起，并将电子捕获到一个重复的模式中，从而形成一个特定的、长期假设的晶体。
研究小组的论文《莫尔超晶格的分数填充的相关绝缘状态》发表在11月11日的《自然》杂志上。论文的第一作者是博士后研究员杨旭。
该项目由文理学院物理副教授麦健辉和工程学院应用与工程物理教授单杰共同创建，是论文的高级作者。两位研究人员都是康奈尔大学纳米科学科维里研究所的成员;他们是通过教务长的纳米科学和微系统工程(NEXT Nano)计划来到康奈尔大学的。
理论物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)在1934年首次预言了电子晶体的存在。他提出，当带负电荷的电子产生的斥力——称为库仑排斥——支配着电子的动能时，就会形成晶体。科学家们已经尝试了各种方法来抑制这种动能，比如把电子放在一个巨大的磁场下，这个磁场大约是地球磁场的100万倍。完全的结晶仍然是难以捉摸的，但康奈尔团队发现了一种实现它的新方法。
电子是量子力学的。即使你没有对它们做任何事，它们也会一直自发地摆动，”Mak说。“电子晶体实际上会有融化的趋势，因为很难保持电子在周期模式下固定。”
因此，研究人员的解决方案是通过叠加由哥伦比亚大学的合作伙伴培育的二硫化钨(WS2)和二氯化钨(WSe2)两种半导体单层膜来构建一个实际的捕集器。每个单层的晶格常数略有不同。当它们配对在一起时，就会形成云纹超晶格结构，看起来就像六边形的网格。然后研究人员将电子放置在图案的特定位置。正如他们在早期项目中发现的那样，两个位置之间的能量势垒将电子锁定在合适的位置上。
Mak说:“我们可以在特定的莫尔区域控制电子的平均占用率。”
鉴于波纹超晶格的错综复杂的模式,结合电子和紧张的本质需要放进一个非常具体的安排,研究人员转向Veit Elser,物理学教授和论文的合著者,他计算占用的比例,不同的电子将self-crystallize安排。
然而，维格纳晶体所面临的挑战不仅仅是创造它们，还包括观察它们。
Mak说:“你需要在合适的条件下制造电子晶体，同时，它们也很脆弱。”“你需要一个好方法来调查它们。你不会真的想在探究他们的时候明显地扰乱他们。”
该团队设计了一种新的光学传感技术，其中一个光学传感器被放置在靠近样品的位置，整个结构被夹在由日本国家材料科学研究所的合作者创造的六方氮化硼绝缘层之间。由于传感器与样品分离约两纳米，所以不会干扰系统。
这项新技术使研究小组能够观察到许多不同晶体对称性的电子晶体，从三角晶格维格纳晶体到自排成条纹和二聚体的晶体。通过这样的实验，研究小组证明了只要原料保持足够长的时间不动，非常简单的原料可以形成复杂的图案。
论文的合著者包括来自哥伦比亚大学和日本国家材料科学研究所的研究人员。
该研究和设备制造得到了美国能源部、美国海军研究办公室和戴维和露西尔·帕卡德奖学金的支持。
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