Электрический представляет собой движение электронов. В некоторых материалах этот постоянный поток может внезапно останавливаться, фиксируясь в организованных кристаллических структурах. В таком случае состояние материала меняется и он перестаёт проводить электричество. Вместо того, чтобы вести себя как металл, он ведёт себя как изолятор. Это необычное поведение даёт учёным ценную инфор��ацию о том, как взаимодействуют электроны, и открыло путь к прорывам в области квантовых вычислений, высокоэффективных сверхпроводников, используемых в энергетике и медицинской визуализации, инновационных систем освещения и чрезвычайно точных атомных часов.
Группа физиков из Университета штата Флорида, в которую входят постдокторант Национальной лаборатории высоких магнитных полей Дирак Аман Кумар, доцент Хитеш Чанглани и доцент Сиприан Левандовски, определила конкретные условия, при которых образуется особый вид электронного кристалла. В этом состоянии электроны располагаются в твёрдой решётке, но при этом могут переходить в более жидкую форму. Эта гибридная фаза называется обобщённым кристаллом Вигнера, и результаты исследования команды опубликованы в журнале npj Quantum Materials.
Учёные давно знают, что электроны в тонких двумерных материалах могут «затвердевать», образуя кристаллы Вигнера — теоретически это состояние предсказали ещё в 1934 году. В ходе экспериментов, проведённых в последние годы, эти структуры были обнаружены, но исследователи не до конца понимали, как они возникают с учётом дополнительных квантовых эффектов.
Для изучения этих условий команда использовала передовые вычислительные инструменты Исследовательского вычислительного центра ФГУ, академического подразделения Службы информационных технологий, а также программу ACCESS Национального научного фонда (передовой вычислительный и информационный ресурс при Управлении передовой киберинфраструктуры). Они использовали такие методы, как точная диагонализация, ренормгруппа плотности матрицы и симуляции Монте-Карло, чтобы проверить, как ведут себя электроны в различных сценариях.
Квантовая механика присваивает каждому электрону две единицы информации, и когда сотни или тысячи электронов взаимодействуют друг с другом, общий объём данных становится чрезвычайно большим. Исследователи использовали сложные алгоритмы для сжатия и организации этого огромного объёма информации в сети, которые можно было бы изучить и интерпретировать.
Изучая обобщённый кристалл Вигнера, команда обнаружила ещё одно удивительное состояние вещества. В этой недавно идентифицированной фазе электроны демонстрируют одновременно изолирующее и проводящее поведение. Некоторые электроны остаются закреплёнными на месте в кристаллической решётке, в то время как другие освобождаются и перемещаются по всему материалу. Их движение напоминает игровой автомат «пинбол», в котором шарик скачет между неподвижными стойками.
Регулируя эти «квантовые ручки», или энергетические шкалы, исследователи могут переводить электроны из твёрдой фазы в жидкую. Понимание кристаллов Вигнера и связанных с ними состояний может определить будущее квантовых технологий, включая квантовые вычисления и спинтронику — быстро развивающуюся область физики конденсированного состояния, которая обещает более быстрые и эффективные наноэлектронные устройства с меньшим энергопотреблением и сниженными производственными затратами.
Источник: habr.com