Физики FSU обнаружили новую квантовую фазу, где электроны переходят между твердым и жидким состояниями

Исследователи из Университета штата Флорида (FSU) представили новую квантовую фазу, в которой электроны демонстрируют переход между упорядоченным кристаллическим состоянием и флюидоподобным движением. Это открытие, опубликованное в журнале npj Quantum Materials, бросает вызов существующим представлениям о квантовом поведении материи. Команда использовала передовые вычислительные ресурсы, включая программу ACCESS Национального научного фонда, для подтверждения своих результатов.

Суть открытия связана с обобщенным кристаллом Вигнера — теоретической конструкцией, впервые предложенной Юджином Вигнером в 1934 году. При точном квантовом настраивании эти упорядоченные электронные решетки могут переходить в жидкую фазу, где электроны движутся свободно. Исследователи выявили промежуточное, гибридное состояние, названное «пинбольным», где часть электронов остается фиксированной, в то время как другие движутся хаотично. Это состояние одновременно проявляет как изолирующие, так и проводящие свойства, что представляет собой новый квантово-механический эффект.

Команда, в которую вошли Киприан Левандовски, Хитеш Чанглани и Аман Кумар, применяла такие методы, как точная диагонализация и симуляции Монте-Карло, для построения фазовых диаграмм. Настраивая взаимодействия в двумерной муаровой суперрешетке, они продемонстрировали сосуществование твердоподобного и жидкоподобного поведения электронов. В отличие от традиционной треугольной решетки, обобщенный кристалл Вигнера, используемый в работе FSU, допускает различные кристаллические формы, включая полосы или сотовые структуры, благодаря применению муаровых систем.

Это исследование дополняет существующие симуляции квантовых фазовых переходов и предоставляет новую экспериментальную платформу для изучения квантовой запутанности и многочастичной физики. Потенциальные последствия для квантовых технологий включают разработку более стабильных кубитов для отказоустойчивых квантовых компьютеров. Кроме того, возможность настраивать электронные фазы может способствовать развитию низкоэнергетической спинтроники и улучшению устройств на основе таких материалов, как графен.

Ключевое преимущество заключается в потенциальной возможности наблюдения этих сложных эффектов без необходимости использования сверхнизких температур, что открывает перспективы для квантовых эффектов при комнатной температуре. Профессор Чанглани и его группа, занимающаяся сильно коррелированными системами, стремятся объяснить и предсказать результаты экспериментов, используя мощные инструменты, такие как ренормализационная группа и высокопроизводительные вычисления. Это открытие продолжает почти 90-летнюю работу, начатую Вигнером, и позволяет изучать переходы между состояниями материи на квантовом уровне, что может стимулировать будущие инновации в квантовых и сверхпроводящих технологиях.