Natuurkundigen FSU Ontdekken Nieuwe Kwantumfase: Elektronen Wisselen Tussen Vast en Vloeibaar

Onderzoekers van de Florida State University (FSU) hebben een nieuwe kwantumfase vastgesteld waarin elektronen onvoorspelbaar gedrag vertonen, wat de huidige kwantumtheorieën uitdaagt. Deze ontdekking, gepubliceerd in het tijdschrift npj Quantum Materials, beschrijft de overgang van elektronen tussen een kristallijne vaste toestand en een vloeistofachtige beweging. Het FSU-team baseerde hun bevindingen op geavanceerde computationele middelen, waaronder faciliteiten van het ACCESS-programma van de National Science Foundation.

De kern van de openbaring ligt in het gegeneraliseerde Wigner-kristal, een theoretisch concept dat Eugene Wigner in 1934 introduceerde als basis voor een kristal dat uitsluitend uit elektronen bestaat. Onder precieze kwantumafstemming kunnen deze geordende elektronenroosters 'smelten' tot een vloeibare fase met vrije elektronenbeweging. Eerdere experimenten, zoals de directe beelden van Wigner-kristallen in 2021, gaven al aanwijzingen voor dit proces. Het FSU-team identificeerde echter een intrigerende tussenliggende 'flitskast'-toestand.

In deze hybride toestand blijven sommige elektronen gefixeerd terwijl andere zich chaotisch verplaatsen, waardoor de toestand tegelijkertijd isolerende en geleidende eigenschappen vertoont. Dit nieuwe kwantummechanische effect biedt de mogelijkheid om de toestand van materie nauwkeuriger te manipuleren. Het onderzoeksteam, waartoe Cyprian Lewandowski, Hitesh Changlani en Aman Kumar behoren, gebruikte methoden als exacte diagonalisatie en Monte Carlo-simulaties om de fasediagrammen in kaart te brengen. Door interacties in een tweedimensionaal moiré-superrooster af te stemmen, toonden zij de gelijktijdige aanwezigheid aan van zowel vaste als vloeibare elektronenkenmerken.

In tegenstelling tot het traditionele driehoekige rooster, staat het gegeneraliseerde Wigner-kristal verschillende kristallijne vormen toe, zoals strepen of honingraatstructuren, wat afwijkt van eerdere waarnemingen die voornamelijk de driehoekige roosterstructuur lieten zien. De implicaties voor kwantumtechnologieën zijn significant, met name voor de ontwikkeling van stabielere qubits voor fouttolerante kwantumcomputers. De mogelijkheid om elektronenfasen nauwkeurig af te stemmen zou ook de ontwikkeling van low-energy spintronica kunnen bevorderen en apparaten op basis van materialen zoals grafeen kunnen verbeteren.

Een belangrijk aspect van dit werk is de potentie om deze complexe effecten te observeren zonder de noodzaak van extreem lage temperaturen, wat de weg opent voor kwantumeffecten bij kamertemperatuur en mogelijke doorbraken in hoogwaardige supergeleiders. De bevindingen onderstrepen een cruciaal moment in de natuurkunde betreffende de dynamiek van elektronen, waarbij de coëxistentie van isolerende en geleidende eigenschappen in de 'flitskast'-fase wijst op een dieper begrip van collectief elektronengedrag onder sterke correlatie. De mogelijkheid om deeltjes te manipuleren in toestanden die zowel vast als vloeibaar zijn, kan de opslag en verwerking van kwantuminformatie voor de volgende generatie elektronische en kwantumapparaten beïnvloeden.