Nhà Vật lý FSU Khám Phá Pha Lượng Tử Mới: Điện Tử Chuyển Tiếp Giữa Rắn và Lỏng

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Bang Florida (FSU) đã công bố phát hiện về một pha vật chất mới, nơi các electron thể hiện hành vi khó đoán, thách thức sự hiểu biết hiện tại về cơ học lượng tử. Công trình này, được đăng trên tạp chí npj Quantum Materials, mô tả quá trình các electron chuyển đổi giữa trạng thái rắn kết tinh và chuyển động giống như chất lỏng. Nhóm nghiên cứu FSU đã sử dụng các công cụ tính toán tiên tiến, bao gồm tài nguyên từ chương trình ACCESS của Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF), để củng cố kết quả của mình.

Sự chuyển đổi trạng thái vật chất này, từ dẫn điện sang cách điện, mở ra một cửa sổ độc đáo để quan sát các tương tác phức tạp của electron. Cốt lõi của khám phá liên quan đến tinh thể Wigner tổng quát, một cấu trúc lý thuyết lần đầu tiên được Eugene Wigner đề xuất vào năm 1934. Dưới sự điều chỉnh lượng tử chính xác, các mạng tinh thể electron có trật tự này có thể tan chảy thành một pha lỏng nơi các electron di chuyển tự do. Nhóm nghiên cứu đã xác định một trạng thái trung gian được gọi là trạng thái "pinball" (bóng bàn), nơi một số electron vẫn cố định trong khi những electron khác di chuyển hỗn loạn. Trạng thái lai này đồng thời biểu hiện cả tính chất cách điện và dẫn điện, một hiệu ứng cơ học lượng tử mới được quan sát.

Đội ngũ nghiên cứu, bao gồm Cyprian Lewandowski, Hitesh Changlani, và Aman Kumar, đã áp dụng các phương pháp như chẩn đoán chính xác và mô phỏng Monte Carlo để lập bản đồ các giản đồ pha. Bằng cách điều chỉnh các tương tác trong một siêu mạng moiré hai chiều, họ đã chứng minh sự cùng tồn tại của các hành vi electron giống như chất rắn và chất lỏng. Khác với mạng tinh thể tam giác truyền thống, tinh thể Wigner tổng quát cho phép các hình dạng tinh thể khác nhau, chẳng hạn như cấu trúc sọc hoặc tổ ong.

Việc nghiên cứu các tinh thể Wigner và các trạng thái liên quan có thể định hình tương lai của công nghệ lượng tử, bao gồm máy tính lượng tử và spintronics. Một lợi thế đáng chú ý là tiềm năng quan sát các hiệu ứng phức tạp này mà không yêu cầu nhiệt độ cực lạnh, mở ra khả năng cho các hiệu ứng lượng tử ở nhiệt độ phòng và những đột phá trong chất siêu dẫn hiệu suất cao. Nghiên cứu này cung cấp một nền tảng mới để thăm dò sự vướng víu lượng tử và vật lý nhiều vật thể.

Các nhà nghiên cứu tại FSU, trong đó có Aman Kumar, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Dirac tại Phòng thí nghiệm Từ trường Cao Quốc gia, đã xác định các điều kiện cụ thể để ổn định pha vật chất này. Công việc của họ xây dựng dựa trên các mô phỏng về các chuyển pha lượng tử. Sự đầu tư của FSU vào khoa học và kỹ thuật lượng tử, với hơn 20 triệu đô la trong ba năm tới, cho thấy cam kết của trường đại học trong việc dẫn đầu cuộc cách mạng lượng tử thứ hai này.