Фізики ФДУ зафіксували новий квантовий стан, де електрони переходять між твердою та рідкою фазами

Науковці з Університету штату Флорида (FSU) ідентифікували принципово новий квантовий стан, у якому електрони демонструють динаміку, що кидає виклик сучасним уявленням про квантову механіку. Дослідження, опубліковане у виданні npj Quantum Materials, описує здатність електронів переходити між кристалічною твердістю та плинним, рідинним рухом. Ця робота надає нову платформу для вивчення квантових явищ, зокрема квантової заплутаності та багаточастинкової фізики.

Суть відкриття полягає у вивченні узагальненого кристала Вігнера, теоретичної конструкції, яку вперше запропонував Юджин Вігнер ще у 1934 році. Дослідницька група FSU, до складу якої увійшли Хайтеш Чанглені, Аман Кумар та Сайпріан Левандовський, продемонструвала, що за умов точного квантового налаштування ці впорядковані електронні ґратки здатні «танути», перетворюючись на рідку фазу. На відміну від традиційної трикутної ґратки, узагальнений кристал Вігнера допускає формування різних кристалічних форм, зокрема смуг або стільникових структур, шляхом налаштування взаємодій у двовимірній моаровій суперґратці.

Команда виявила проміжний стан, названий «станом у більярд», де частина електронів залишається нерухомою, тоді як інші рухаються хаотично. Цей гібридний стан одночасно проявляє як ізолюючі, так і провідні властивості, що є новим квантово-механічним ефектом. Для підтвердження висновків дослідники використовували передові обчислювальні інструменти, зокрема ресурси програми ACCESS Національного наукового фонду, застосовуючи методи точної діагоналізації та симуляції Монте-Карло для картографування фазових діаграм.

Фахівці галузі очікують значних наслідків для розвитку квантових технологій. Можливість налаштування електронних фаз може прискорити розвиток низькоенергетичної спінтроніки та вдосконалення пристроїв, зокрема у створенні більш стабільних кубітів для відмовостійких квантових комп'ютерів. Важливою перевагою є потенціал спостереження цих складних ефектів без необхідності використання наднизьких температур, що відкриває шлях до явищ, які можуть відбуватися за кімнатної температури.

Це дослідження доповнює поточні роботи у галузі квантової фізики. Раніше, у 2021 році, незалежні групи фізиків з ETH Zurich та Гарвардського університету вже публікували експериментальні спостереження кристалів Вігнера, хоча й у дещо інших конфігураціях. Робота команди FSU фокусується на узагальненій формі та гібридних станах, що є новим кроком уперед у розумінні динаміки електронів. Здатність контролювати кристалізацію чи плинність електронів може змінити наноелектронні пристрої, зменшуючи енергоспоживання.