Физики открыли новое квантовое состояние «электронного пинбола»

Физики выяснили, как электроны переключаются между кристаллическими и жидкоподобными состояниями, обнаружив гибридную фазу, где сосуществуют «замороженные» и подвижные электроны. Эти открытия могут открыть новые пути в квантовых вычислениях, сверхпроводимости и ультра-эффективной электронике. Автор: AI/ScienceDaily.com

Группа физиков из Университета Флориды обнаружила специфические условия, позволяющие формироваться особому виду электронного кристалла. В этом состоянии электроны выстраиваются в твёрдую решётку, но также могут переходить в более текучую форму. Эта гибридная фаза называется обобщённым кристаллом Вигнера, и результаты исследования опубликованы в журнале npj Quantum Materials издательского дома Nature.

Учёные давно знали, что электроны в тонких двумерных материалах могут кристаллизоваться в кристаллы Вигнера — концепция, впервые предложенная в 1934 году. Однако до сих пор не было полностью понятно, как они возникают при учёте дополнительных квантовых эффектов.

«В нашем исследовании мы определили, какие «квантовые ручки» нужно повернуть, чтобы вызвать этот фазовый переход и достичь обобщённого кристалла Вигнера, который использует 2D муаровую систему и позволяет формировать различные кристаллические формы, в отличие от традиционных кристаллов Вигнера, показывающих только треугольную решётку», — пояснил доцент Хитеш Чанглани.

Для изучения этих условий команда использовала передовые вычислительные инструменты, включая точную диагонализацию, ренормализационную группу матрицы плотности и метод Монте-Карло.

Новый гибрид: фаза квантового пинбола

Изучая обобщённый кристалл Вигнера, команда обнаружила ещё одно удивительное состояние материи. В этой новой фазе электроны одновременно демонстрируют изолирующее и проводящее поведение. Одни электроны остаются закреплёнными в кристаллической решётке, а другие высвобождаются и движутся по материалу. Их движение напоминает шарик пинбола, рикошетящий между неподвижными столбами.

«Фаза пинбола — это очень захватывающее состояние материи, которое мы наблюдали при исследовании обобщённого кристалла Вигнера. Одни электроны хотят «замёрзнуть», а другие — свободно перемещаться, что означает, что одни изолируют, а другие проводят электричество. Это первый раз, когда этот уникальный квантово-механический эффект был наблюдён и описан для плотности электронов, изученной в нашей работе», — сказал доцент Сиприан Левандовски.

Почему эти открытия важны

Эти результаты расширяют способность учёных понимать и контролировать поведение материи на квантовом уровне. Регулируя «квантовые ручки» или энергетические масштабы, исследователи могут переводить электроны из твёрдых в жидкие фазы внутри этих материалов.

Понимание кристаллов Вигнера и связанных с ними состояний может сформировать будущее квантовых технологий, включая квантовые вычисления и спинтронику — быстро развивающуюся область физики конденсированного состояния, обещающую более быстрые и эффективные наноэлектронные устройства с меньшим энергопотреблением и сниженной стоимостью производства.

Команда намерена продолжить изучение того, как электроны взаимодействуют и влияют друг на друга в сложных системах, чтобы ответить на фундаментальные вопросы, которые в конечном итоге могут привести к инновациям в квантовых, сверхпроводящих и атомных технологиях.