Fizyków FSU Odkryto Nową Fazę Kwantową Przejścia Elektronów

Naukowcy z Florida State University (FSU) zidentyfikowali nową fazę kwantową, w której elektrony wykazują nieprzewidywalne zachowania, co stanowi wyzwanie dla obecnego rozumienia mechaniki kwantowej. Badanie to, opublikowane w czasopiśmie npj Quantum Materials, opisuje zjawisko przejścia elektronów ze stanu krystalicznej stałości do płynnego ruchu. Zespół FSU wykorzystał zaawansowane zasoby obliczeniowe, w tym program ACCESS finansowany przez National Science Foundation, do potwierdzenia swoich ustaleń.

Sedno odkrycia dotyczy uogólnionego kryształu Wignera, koncepcji teoretycznej zapoczątkowanej przez Eugene’a Wignera w 1934 roku. W warunkach precyzyjnego strojenia kwantowego, uporządkowane sieci elektronowe mogą ulec stopieniu do fazy ciekłej, gdzie elektrony poruszają się bez ograniczeń. Zespół, w skład którego wchodzili Cyprian Lewandowski, Hitesh Changlani oraz Aman Kumar, zidentyfikował stan pośredni, nazwany stanem „pinballa”. W tym stanie część elektronów pozostaje unieruchomiona, podczas gdy inne poruszają się chaotycznie, manifestując jednocześnie zachowania izolacyjne i przewodzące.

Badacze zastosowali metody takie jak dokładna diagonalizacja i symulacje Monte Carlo do sporządzenia map diagramów fazowych. Poprzez modulowanie oddziaływań w dwuwymiarowej nadstrukturze moiré, wykazali współistnienie zachowań elektronów o charakterze stałym i płynnym. Uogólniony kryształ Wignera, w przeciwieństwie do tradycyjnej sieci trójkątnej, dopuszcza różnorodne kształty krystaliczne, takie jak struktury pasmowe lub heksagonalne. Wykorzystanie nadstruktur moiré, powstających przez nałożenie dwóch materiałów van der Waalsa z niewielkim przesunięciem kątowym, umożliwia inżynierię nowych stanów elektronowych.

Przewiduje się, że to odkrycie będzie miało znaczące implikacje dla technologii kwantowych, szczególnie w kontekście tworzenia stabilniejszych kubitów dla komputerów kwantowych odpornych na błędy. Możliwość kontrolowania faz elektronowych może również przyspieszyć rozwój spintroniki niskonenergetycznej i udoskonalić urządzenia bazujące na materiałach takich jak grafen. Istotną zaletą jest potencjał do obserwacji tych złożonych efektów bez konieczności stosowania temperatur kriogenicznych, co otwiera drogę do zjawisk kwantowych w temperaturze pokojowej.

Praca ta stanowi uzupełnienie trwających badań obliczeniowych w fizyce kwantowej, dostarczając nowej platformy eksperymentalnej do badania splątania kwantowego i fizyki wielociałowej. Badacze, w tym Aman Kumar z National High Magnetic Field Laboratory, dążą do głębszego zrozumienia, jak elektrony współpracują w skomplikowanych układach, co ma napędzać innowacje w technologiach kwantowych i nadprzewodnictwie.