2026年8月11日——巴塞尔大学和慕尼黑工业大学的研究人员开发出一种新方法，可揭示物质最难以捉摸的态之一——维格纳晶体中电子的集体运动。借助光，物理学家们得以揭示这一脆弱量子态此前无法触及的性质。

当被限制在二维平面内的电子之间发生强烈相互作用时，它们会停止独立运动，转而形成一种类似于普通晶体中原子排列的周期性晶格。

这种被称为维格纳晶体的有序态数十年来一直令科学家们着迷，因为它的有序性并非源于宿主材料的内禀结构，而是来自电子之间的相互作用。

尽管维格纳晶体已在多个物理系统中被观测到，但探究其内部行为——它们如何运动、相互作用以及如何响应外部扰动——仍然是一项重大挑战。

在一项发表于Nature Physics的研究中，巴塞尔大学Tomasz Smoleński教授领导的实验团队研究了冷却至仅比绝对零度高几度的单原子层二硒化钨。研究人员通过照射该材料并测量反射光，观测到了新的光学特征，这些特征揭示了维格纳晶体中电子的集体行为。

光揭示隐藏的量子行为

这些特征源于材料中由光激发的激发态——即激子——与电子有序排列之间微妙的相互作用。由此产生的混合准粒子被称为维格纳晶体极化子，可作为探测晶体及其集体动力学的高度灵敏光学探针。

论文第一作者、巴塞尔大学的Lujun Wang博士表示：“我们的测量表明，光不仅能简单探测到这种奇异态的存在，还能揭示该态的内部行为方式。”他与Smoleński课题组的博士生Ferdinand Menzel共同完成了这些实验。

Smoleński补充道：“这为我们提供了一种强大的新工具，用于研究电子晶体中原本极难触及的集体激发。”

研究人员还发现，电子间相互作用的强度塑造了这些光学特征。这使得它们对于探索强关联系统的基础物理尤为有价值，这类系统的性质源于许多相互作用粒子的集体行为。

为了解释实验结果，慕尼黑工业大学（TUM）Michael Knap教授领导的理论团队建立了一个理论描述，阐明维格纳晶体极化子如何由光生激子与晶体中电子集体运动之间的耦合而产生。

探索强相互作用材料的新窗口

慕尼黑工业大学博士生Fabian Pichler解释道：“特别令人兴奋的是，这些信号不仅携带电子排列方式的信息，还包含其量子动力学信息。这使我们能够将实验观测与底层多体物理直接联系起来。”

研究结果表明，原子级薄材料为可视化有序量子态中电子的集体运动提供了一个有前景的平台。这为更深入地理解强关联物质的内部动力学开辟了新的可能性。