FSU-Physiker identifizieren neue Quantenphase: Elektronen wechseln zwischen festem und flüssigem Zustand

Ein Forscherteam der Florida State University (FSU) hat eine neue Quantenphase aufgedeckt, in der Elektronen ein Verhalten zeigen, das das derzeitige Verständnis der Quantenmechanik erweitert. Die Ergebnisse der Arbeit, die in der Fachzeitschrift npj Quantum Materials veröffentlicht wurden, beschreiben den Übergang von Elektronen zwischen einer geordneten, kristallinen Festkörperstruktur und einer flüssigkeitsähnlichen Bewegung. Die Wissenschaftler stützten ihre Erkenntnisse auf den Einsatz fortgeschrittener rechnergestützter Werkzeuge, die unter anderem durch das ACCESS-Programm der National Science Foundation bereitgestellt wurden.

Der Kern dieser Entdeckung liegt im verallgemeinerten Wigner-Kristall, einem theoretischen Konzept, das ursprünglich von Eugene Wigner im Jahr 1934 postuliert wurde. Unter präziser quantenmechanischer Abstimmung können diese geordneten Elektronen-Lattices in eine flüssige Phase übergehen, in der die Elektronen sich frei bewegen können. Das Forschungsteam identifizierte einen intermediären Zustand, den sie als „Flippermechanismus“ bezeichnen, in dem einige Elektronen fixiert bleiben, während andere sich chaotisch bewegen. Dieser hybride Zustand manifestiert gleichzeitig isolierende und leitende Eigenschaften, ein neuartiger quantenmechanischer Effekt, der erstmals für die untersuchte Elektronendichte beobachtet wurde.

Das Forschungskollektiv, dem Cyprian Lewandowski, Hitesh Changlani und Aman Kumar angehören, nutzte Methoden wie die exakte Diagonalisierung und Monte-Carlo-Simulationen, um die Phasendiagramme detailliert abzubilden. Durch die Feinabstimmung der Wechselwirkungen in einem zweidimensionalen Moiré-Supergitter demonstrierten sie das gleichzeitige Bestehen von festkörperartigen und flüssigkeitsartigen Elektronenverhalten. Im Gegensatz zum traditionellen Dreiecksgitter erlaubt der verallgemeinerte Wigner-Kristall unterschiedliche Kristallformen, wie Streifen- oder Wabenstrukturen, was eine Erweiterung der ursprünglichen Theorie darstellt.

Branchenexperten sehen tiefgreifende Konsequenzen für Quantentechnologien, insbesondere für die Entwicklung robusterer Qubits für fehlertolerante Quantencomputer. Die Fähigkeit, Elektronenphasen gezielt zu steuern, könnte zudem die Forschung in der Tieftemperatur-Spintronik voranbringen und die Effizienz von Bauteilen auf Basis von Materialien wie Graphen steigern. Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode ist die Aussicht, diese komplexen Quanteneffekte ohne die Notwendigkeit extrem tiefer Temperaturen beobachten zu können, was vielversprechende Perspektiven für Quanteneffekte bei Raumtemperatur und potenzielle Fortschritte bei Hochleistungs-Supraleitern eröffnet.

Diese Forschung ergänzt laufende rechnergestützte Untersuchungen in der Quantenphysik und liefert eine neue Grundlage zur Erforschung von Quantenverschränkung und Vielteilchenphysik. Die Ergebnisse bauen auf bestehenden Simulationen von Quantenphasenübergängen auf, die auf Quantenprozessoren durchgeführt werden. Die Entdeckung markiert einen wichtigen Moment in der Physik bezüglich der Dynamik von Elektronen, wobei die theoretische Vorhersage von Wigner aus dem Jahr 1934 nun in komplexeren, abstimmbaren Systemen bestätigt wird. Die Arbeit von Lewandowski, Changlani und Kumar liefert somit einen Mechanismus, um diese exotischen Zustände zu stabilisieren und zu untersuchen, was für die Entwicklung zukünftiger Quanten- und Atomtechnologien von Bedeutung ist.