佛大物理學家揭示電子在固態與液態間轉變的新量子相

佛羅里達州立大學（FSU）的研究團隊近期發表了一項重要研究，揭示了一種全新的量子相態，其中電子展現出難以預測的行為，對現有量子理論構成挑戰。這項成果已刊登於《npj Quantum Materials》期刊，核心發現涉及電子在晶體固態與類流體運動之間進行轉換的現象。

此項研究的理論基礎可追溯至理論物理學家尤金·維格納（Eugene Wigner）於1934年首次提出的廣義維格納晶體（generalized Wigner crystal）模型。在精確的量子調控下，這些有序的電子晶格結構能夠「熔化」成一個電子可以自由移動的液態相。FSU團隊的獨特觀察是，他們發現了一個過渡性的「彈珠台」（pinball）狀態，在此狀態下，部分電子保持固定，而其他電子則進行混亂移動。

這種混合狀態同時展現出絕緣體和導體的特性，是一種前所未見的量子力學效應，標誌著物理學在電子動力學領域的一個關鍵進展。研究團隊成員包括Cyprian Lewandowski、Hitesh Changlani和Aman Kumar，他們運用了諸如精確對角化和蒙地卡羅模擬等計算方法，繪製出該相的相圖。他們透過在二維莫爾超晶格中調整電子間的交互作用，成功證明了固態與液態電子行為的共存現象。

與傳統僅呈現三角形晶格的維格納晶體不同，廣義維格納晶體允許形成條紋或蜂巢狀結構等多樣的晶體形狀。研究人員指出，觀察到這些複雜效應無需依賴極低溫環境，這為室溫下的量子效應和高性能超導體領域的探索開啟了可能性。該發現預期將對量子技術領域產生影響，特別是在開發用於容錯量子電腦的更穩定量子位元方面。

此外，電子相位的可調控性可能推動低能耗自旋電子學（spintronics）的發展，並增強基於石墨烯等材料的器件性能。此項工作為當前量子物理學中的計算研究提供了補充，並為探究量子糾纏和多體物理學提供了一個新的研究平台。研究的成功也得益於研究人員能夠利用先進的算法來處理數千個電子交互作用所產生的龐大數據集，並獲得國家科學基金會（NSF）ACCESS計畫提供的計算資源支持。