Современная цивилизация зависит от электричества, которое является результатом движения электронов. Обычно их перемещение удобно сравнивать с течением воды по трубам. Однако в некоторых материалах картина меняется: электроны способны формировать упорядоченные, кристаллоподобные структуры.
Когда электроны застывают в таких жестких конфигурациях, материал меняет свое агрегатное состояние и перестает проводить электричество, превращаясь из металла в изолятор. Понимание этого необычного поведения дает ученым ценные сведения о взаимодействии электронов, открывая перспективы для развития квантовых вычислений, высокоэффективных сверхпроводников, применяемых в энергетике и медицинской визуализации, инновационных систем освещения и сверхточных атомных часов.
Группа физиков из Университета штата Флорида, включающая постдокторанта Амана Кумара, доцента Хитеша Чанглани и доцента Сайприана Левандовски, определила условия, приводящие к образованию особого типа электронного кристалла. В этом состоянии электроны формируют твердую решетку, но при этом могут переходить в более жидкую форму. Эта гибридная фаза получила название обобщенного кристалла Вигнера, а результаты исследования опубликованы в npj Quantum Materials, издании Nature.
Ученым давно известно, что электроны в тонких двумерных материалах могут твердеть, образуя кристаллы Вигнера — концепция, впервые предложенная в 1934 году. Эксперименты последних лет подтвердили существование этих структур, однако до сих пор не было полного понимания механизмов их возникновения с учетом дополнительных квантовых эффектов.
«В своем исследовании мы определили, какие «квантовые ручки» нужно отрегулировать, чтобы вызвать этот фазовый переход и получить обобщенный кристалл Вигнера. Он использует двумерную муаровую систему и позволяет формировать различные кристаллические формы, например, полосы или сотовые кристаллы, в отличие от традиционных кристаллов Вигнера, которые образуют только треугольную решетку», — пояснил Чанглани.
Для изучения этих условий команда использовала передовые вычислительные инструменты Центра научных вычислений Университета штата Флорида, а также программу ACCESS Национального научного фонда. Они применяли такие методы, как точная диагонализация, группа перенормировки матрицы плотности и симуляции Монте-Карло, чтобы проанализировать поведение электронов в различных сценариях.
Квантовая механика присваивает каждому электрону две части информации, и когда взаимодействуют сотни или тысячи электронов, общий объем данных становится чрезвычайно большим. Исследователи использовали изощренные алгоритмы для сжатия и организации этой огромной информации в сети, которые затем можно было анализировать и интерпретировать.
«Мы способны имитировать экспериментальные результаты благодаря нашему теоретическому пониманию состояния материи», — отметил Кумар. «Мы проводим точные теоретические расчеты с использованием современных тензорных сетей и точной диагонализации — мощного численного метода в физике для сбора деталей о квантовом гамильтониане, который представляет полную квантовую энергию в системе. Благодаря этому мы можем объяснить, как возникли кристаллические состояния и почему они предпочтительнее других энергетически конкурентных состояний».
В ходе изучения обобщенного кристалла Вигнера команда обнаружила еще одно удивительное состояние материи. В этой новооткрытой фазе электроны демонстрируют одновременно изолирующие и проводящие свойства. Некоторые электроны остаются зафиксированными в кристаллической решетке, в то время как другие свободно перемещаются по материалу. Их движение напоминает шарик для пинбола, отскакивающий от неподвижных стоек.
«Эта «пинбольная» фаза — очень захватывающее состояние материи, которое мы наблюдали при исследовании обобщенного кристалла Вигнера», — сообщил Левандовски. «Некоторые электроны стремятся застыть, а другие — свободно перемещаться, что означает, что одни выступают в качестве изоляторов, а другие проводят электричество. Это первый случай, когда такой уникальный квантовомеханический эффект был обнаружен и описан для изучаемой нами плотности электронов».
Эти открытия расширяют возможности ученых по пониманию и контролю поведения материи на квантовом уровне. «Что заставляет что-либо быть изолятором, проводником или магнитом? Можем ли мы превратить одно состояние в другое?» — задается вопросом Левандовски. «Мы стремимся предсказать, где существуют определенные фазы материи и как одно состояние может переходить в другое. Если представить превращение жидкости в газ, то это похоже на нагревание, чтобы вода закипела и превратилась в пар. Здесь же, как оказалось, существуют другие «квантовые ручки», которыми мы можем манипулировать для изменения состояний материи, что может привести к впечатляющим прорывам в экспериментальных исследованиях».
Регулируя эти «квантовые ручки», или энергетические масштабы, исследователи могут перемещать электроны из твердых фаз в жидкие внутри этих материалов. Понимание кристаллов Вигнера и связанных с ними состояний может определить будущее квантовых технологий, включая квантовые вычисления и спинтронику — быстро развивающуюся область физики конденсированного состояния, обещающую создание более быстрых, эффективных наноэлектронных устройств с меньшим энергопотреблением и сниженными производственными затратами.
Команда намерена продолжить изучение того, как электроны взаимодействуют и влияют друг на друга в сложных системах. Их цель — ответить на фундаментальные вопросы, которые в конечном итоге могут стимулировать инновации в квантовых, сверхпроводящих и атомных технологиях.
