
【电】 Wigner energy
dimension; maintain; preserve; thought; tie up
【化】 dimension
case; division; metre; square; standard; style
【计】 lattice
accept; admit; receive
【计】 nano
ability; able; be able to; can; capable; energy; skill
【化】 energy
【医】 energy
维格纳能(Wigner Energy),在凝聚态物理中,指电子在低密度且强关联条件下,因库仑排斥作用而形成有序晶格结构时所具有的关联能。该概念由诺贝尔物理学奖得主尤金·维格纳(Eugene Wigner)于1934年首次理论预言,故得名。
物理机制与定义 当电子体系的密度极低时,电子间的平均距离增大,库仑排斥能远大于电子的动能。此时,电子为最小化排斥能,会自发排列成周期性晶格结构,即"维格纳晶体"(Wigner crystal)。维格纳能即指电子处于这种量子有序相时,相较于均匀电子气状态所降低的能量,其本质是电子强关联效应导致的基态能量修正。维格纳晶体的形成需要满足条件:$$ r_s = frac{1}{sqrt{frac{4pi}{3}n}a_B} gg 1 $$ 其中 ( r_s ) 为无量纲密度参数,( n ) 为电子密度,( a_B ) 为玻尔半径。
观测与意义 维格纳晶体的实验观测极具挑战,直至1979年才首次在液氦表面的电子系统中被间接证实。近年来,二维电子气系统(如半导体异质结、石墨烯)和冷原子体系成为研究维格纳能的重要平台。维格纳能的研究深化了对量子强关联现象的理解,对分数量子霍尔效应、莫特绝缘体等关联电子态的理论具有奠基性意义,并为量子相变、拓扑物态等前沿领域提供关键视角。
参考文献
"维格纳能"(Wigner energy)是一个与核物理和材料科学相关的概念,得名于匈牙利裔美国物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)。它主要指核反应堆中慢化剂材料(如石墨)因辐射损伤而储存的潜在能量。
中子辐照效应
在核反应堆运行过程中,高能中子会撞击石墨等慢化剂的原子,使其晶格结构发生位移。原本有序排列的碳原子被中子撞击后,部分原子脱离原位,形成晶格缺陷(如空位和间隙原子)。这一过程会在材料中储存弹性势能。
能量释放特性
储存的维格纳能具有亚稳态特性。当材料温度升高到一定程度(约250°C以上)时,晶格缺陷会重新排列并恢复有序结构,导致储存的能量以热量的形式突然释放。这一过程称为维格纳能量释放。
1957年,英国温斯乔尔核电站(Windscale Pile)因石墨慢化剂中积累的维格纳能意外释放,引发了火灾和放射性物质泄漏。这一事故促使核反应堆设计中对石墨退火程序的改进。
维格纳的研究还涉及量子力学中的对称性(如维格纳定理)和核反应理论,但“维格纳能”特指上述材料中的能量储存现象。
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