电子同时具有动能和库伦排斥势能，所以通常情况下材料中的电子排列是无序的。维格纳在1934年理论预言，当电子动能和密度都较小时, 库伦排斥作用就会占主导作用，形成有序的电子晶体, 被称为维格纳晶体。但是，维格纳晶体只能在极端条件下形成，往往依赖极低温、强磁场或莫尔超晶格等苛刻条件以淬灭电子动能，而且表征手段多限于宏观测量，这是因为具备原子级成像能力的扫描隧道显微镜（STM），不可避免引入局域电场，从而破坏电子的长程序，因此用STM是无法直接观察维格纳晶体。

近日，复旦大学物理学系高春雷课题组和沈健/殷立峰课题组合作，利用全新的“电荷转移-电子结晶”策略，将具有重电子、极平带、强关联特性的稀土4f二维单层YbCl3与HOPG构筑异质结，利用电荷转移将电子注入Yb的4f轨道平带，实现了本征的维格纳晶体。在此基础上，利用高灵敏度的𝑄-plus 原子力显微镜（AFM）实现了维格纳晶体的亚原子级成像，其周期约为3nm，密度与界面电荷密度（0.202 ± 0.006 e/nm2）一致，而与YbCl3/HOPG的莫尔超晶格周期无关（图1）。当针尖施加电场扰动后，还观察到了维格纳晶体的集体运动和重新排布，突显了维格纳晶体的量子特性和电子间的长程关联（图2）。变温实验发现该体系的融化温度高达60K。实验结果不仅为维格纳晶体研究提供了一个无需极低温、无需强磁场、无需复杂转角调控的实验体系，还为维格纳晶体的微观研究奠定了方法学基础。

图1. （a）YbCl3/HOPG层间电荷转移示意图。（b）维格纳晶体示意图。（c）分子束外延生长的单层YbCl3/HOPG异质结的STM形貌图（扫描参数：1.5 V, 100 pA）。（d）STM只能看到周期约为0.93 nm的莫尔超晶格，虚线圆圈处为Yb空位（扫描参数：2.5 V, 10 pA）。（e）在同一位置，使用Q-plus原子力显微镜，探测到了周期约为3 nm的维格纳晶体，白色虚线圆圈处比较暗的三聚体对应于（d）图中的Yb空位。

图2. 维格纳晶体在电场下的集体运动和重新排布。（a-c）为同一位置的AFM图，中间进行了2.5 V偏压的STM扫描，红点为维格纳晶体的初始位置，白色虚线圆圈处比较暗的三聚体对应于Yb空位，它不受电场的影响。

相关研究成果以“Intrinsic Heavy Wigner Crystal Forged by Transferred 4𝑓 Electrons”为题，于2025年12月23日发表于《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 135, 266502 (2025)），并入选编辑推荐（Editor’s suggestion）。

博士后王忠杰与博士生宋睿为共同第一作者，高春雷、沈健、殷立峰为通讯作者。该工作得到了应用表面物理全国重点实验室、复旦大学物理学系、微纳电子器件与量子计算机研究院、国家自然科学基金、科技部和上海市科委、上海市教委等的大力支持与资助。

论文链接： https://doi.org/10.1103/h96x-9d3y