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以色列、美國與義大利研究人員在超純淨(ultraclean)奈米碳管(carbon nanotube)中觀察到魏格納分子(Wigner molecule)的存在 。此實驗不僅驗證了1930年代提出的理論預測，同時證實像奈米碳管這樣極為純淨的結構，可用來操控極易受破壞而不見容於一般材料的電子狀態。
魏格納分子是匈牙利物理學家尤金‧維格納(Eugene Wigner)在1934年提出的量子結晶現象。以最簡單的量子力學系統─同處一條線上的兩個電子─為例，當這兩個電子產生強烈交互作用時，便會形成魏格納分子基態，此時兩粒子會彼此排斥並各自處於線端點。魏格納分子是一非常容易遭受破壞的量子態，原因是維繫它的是電子間的微弱作用力，而此作用力很易於受到基材中其他數以百萬計的電子與原子的影響。
此實驗由以色列魏茨曼科學研究所(Weizmann Institute of Science)、美國康乃爾(Cornell)大學與義大利摩德納(Modena)大學的研究人員共同完成。團隊成員Sharon Pecker解釋，他們採用了最純淨的材料－奈米碳管，來觀察此分子狀態的存在。電中性的奈米碳管被懸掛於真空中，只與兩金屬電極接觸。接著，研究人員引入兩顆電子，並使電流流經碳管以觀察此兩電子的交互作用情形。
研究人員測量傳輸光譜(transport spectroscopy)發現，電子的行為正如魏格納預測的相互排斥並各自待在碳管端點，形成魏格納分子。當研究人員試圖把兩電子推擠至同一端時，電子依然保持相隔一段距離。Pecker表示，此現象證明了分子的形成乃是由於電子間固有的交互作用，而非全是受到周遭環境的影響。
根據量子力學，電子會傾向分散並分布於所處空間中。不過，當電子間的排斥作用夠強烈時，電子便能克服此空間分佈傾向，形成彼此間距相等的有序魏格納晶體(Wigner crystal)。上述研究不僅驗證了魏格納的預測，同時也證明像奈米碳管這樣的極純淨的系統可用來操控極敏感脆弱的電子狀態。此外，此實驗也證明了目前科學家已經能合成純度極高的奈米碳管，而且是目前所存在最純淨的固態系統之一。
該研究團隊表示，如果能利用這些碳管進一步操控更多電子，將可望推動新一波的高精準度實驗。此類系統可以作為純淨的凝態「實驗室」，用以研究奈米尺度下的基本量子力學現象。詳見Nature Physics｜doi:10.1038/nphys2692。 |