FSU Fizikçileri Elektronların Katı ve Sıvı Arasında Geçiş Yaptığı Yeni Kuantum Fazını Keşfetti

Florida Eyalet Üniversitesi (FSU) fizikçileri, elektronların katı kristal yapılar ile akışkan hareket arasında geçiş yaptığı yeni bir kuantum fazı keşfetti. Bu buluş, elektronların öngörülemez davranışlarını sergileyen bir durumu ortaya koyuyor. Keşif, *npj Quantum Materials* bilimsel dergisinde yayımlandı ve elektronların kristal düzeninden sıvı benzeri bir harekete geçişini içeriyor. FSU ekibi, bulgularını desteklemek amacıyla, Ulusal Bilim Vakfı'nın (NSF) ACCESS programı kaynakları dahil olmak üzere ileri düzey hesaplama araçlarından faydalandı.

Bu keşfin temelinde, Eugene Wigner tarafından 1934'te ilk kez teorize edilen genelleştirilmiş Wigner kristali kavramı yatıyor. Wigner, düşük yoğunluklu elektron gazlarının, potansiyel enerjinin kinetik enerjiye baskın geldiği durumlarda kristal bir kafes oluşturacağını öngörmüştü. FSU araştırmacıları, hassas kuantum ayarlamalarıyla, bu düzenli elektron kafeslerinin eriyerek elektronların serbestçe hareket ettiği sıvı bir faza dönüşebildiğini gösterdi. Araştırma ekibinde yer alan Cyprian Lewandowski, Hitesh Changlani ve Aman Kumar, faz diyagramlarını haritalamak için kesin köşegenleştirme ve Monte Carlo simülasyonları gibi yöntemleri uyguladı. İki boyutlu bir moiré süper örgüdeki etkileşimleri ayarlayarak, katı benzeri ve sıvı benzeri elektron davranışlarının bir arada var olabildiğini kanıtladılar.

Daha da ilginci, ekip, bazı elektronların sabit kaldığı, diğerlerinin ise kaotik bir şekilde hareket ettiği ara bir "pinball" (langırt) durumu tespit etti. Bu hibrit durum, aynı anda hem yalıtkan hem de iletken özellikler sergiliyor; bu, daha önce gözlemlenmemiş yeni bir kuantum mekaniksel etkidir. Geleneksel Wigner kristallerinin yalnızca üçgen bir kafes sergilemesine karşın, genelleştirilmiş Wigner kristali, şeritler veya petek yapıları gibi farklı kristal şekillerine izin veriyor.

FSU ekibinin çalışması, bu karmaşık etkileşimleri ultra soğuk sıcaklıklara ihtiyaç duymadan gözlemleme potansiyeli sunarak, oda sıcaklığında kuantum etkileri ve yüksek performanslı süper iletkenler alanında atılımların önünü açıyor. Bu tür moiré süper örgülerin, elektron korelasyon etkilerini incelemek için başka bir model sistem sağladığı biliniyor. Elektron fazlarını ayarlama yeteneği, aynı zamanda düşük enerjili spintroniklerin ilerlemesine ve grafen gibi malzemelere dayalı cihazların performansının artırılmasına da katkı sağlayabilir.

Bu araştırma, elektronların katı bir kafeste donup kalabildiği ve ardından sıvıya benzer bir harekete geçebildiği bir faz geçişi yaşadığı durumu incelemektedir; bu, suyun buz veya buhara dönüşmesine benzer ancak kuantum ilkeleriyle yönetilen bir süreçtir. Elde edilen bu bilgiler, gelecekteki kuantum cihazlarının tasarımında ve enerji verimliliği yüksek elektronik çözümlerin geliştirilmesinde kritik bir rol oynayacaktır.