Струја одржава савремени живот у току, од аутомобила и телефона до рачунара и скоро сваког уређаја на који се ослањамо. Ради кроз кретање електрона који путују кроз коло. Иако су ове честице сувише мале да би се виделе, електрична струја коју производе тече кроз жице на начин који подсећа на воду која се креће кроз цев.
У неким материјалима, међутим, овај стабилан ток може изненада да се закључа у организоване, кристалне обрасце. Када се електрони слегну у ове круте аранжмане, материјал пролази кроз промену свог стања материје и престаје да спроводи електричну енергију. Уместо да се понаша као метал, он се понаша као изолатор. Ово необично понашање пружа научницима драгоцен увид у интеракцију електрона и отворило је врата напретку у квантном рачунарству, суперпроводницима високих перформанси који се користе у енергетском и медицинском снимању, иновативним системима осветљења и изузетно прецизним атомским сатовима.
Група физичара са Државног универзитета у Флориди, укључујући постдокторског сарадника Дирац-а из Националне лабораторије за високо магнетно поље, Амана Кумара, ванредног професора Хитеша Чангланија и доцента Циприана Левандовског, сада је идентификовала специфичне услове који омогућавају формирање посебне врсте електронског кристала. У овом стању, електрони се постављају у чврсту решетку, али се такође могу пребацити у флуиднији облик. Ова хибридна фаза се назива генерализовани Вигнеров кристал, а налази тима се појављују у нпј Куантум Материалс, публикацији Натуре.
Како се формирају електронски кристали
Научници одавно знају да електрони у танким, дводимензионалним материјалима могу да се учврсте у Вигнерове кристале, концепт који је први пут предложен 1934. Експерименти последњих година открили су ове структуре, али истраживачи нису у потпуности разумели како настају када се узму у обзир додатни квантни ефекти.
„У нашој студији смо утврдили која ‘квантна дугмад’ да окренемо да покренемо ову фазну транзицију и постигнемо генерализовани Вигнеров кристал, који користи 2Д моире систем и дозвољава да се формирају различити кристални облици, попут пруга или кристала саћа, за разлику од традиционалних Вигнерових кристала који показују само троугласти кристал са решетком“, рекао је Цханглани.
Да би истражио ове услове, тим се ослањао на напредне рачунарске алате у Истраживачком рачунарском центру ФСУ, јединици за академске услуге у оквиру Службе информационих технологија, као и на програм АЦЦЕСС Националне научне фондације (напредни ресурс за рачунарство и податке у оквиру Канцеларије за напредну сајберинфраструктуру). Користили су методе као што су тачна дијагонализација, група за ренормализацију матрице густине и Монте Карло симулације да би тестирали како се електрони понашају у различитим сценаријима.
Обрада огромних количина квантних података
Квантна механика сваком електрону додељује две информације, а када стотине или хиљаде електрона интерагују, укупна количина података постаје изузетно велика. Истраживачи су користили софистициране алгоритме да компримују и организују ове огромне информације у мреже које се могу испитати и тумачити.
„Ми смо у могућности да опонашамо експерименталне налазе путем нашег теоријског разумевања стања материје“, рекао је Кумар. „Ми вршимо прецизне теоријске прорачуне користећи најсавременије прорачуне тензорске мреже и тачну дијагонализацију, моћну нумеричку технику која се користи у физици за прикупљање детаља о квантном Хамилтонијану, који представља укупну квантну енергију у систему. Кроз ово можемо пружити слику о томе како су кристална стања настала и зашто су она преферирана у поређењу са другим енергетским стањем.“
Нови хибрид: фаза квантног флипера
Док је проучавао генерализовани Вигнеров кристал, тим је открио још једно изненађујуће стање материје. У овој новоидентификованој фази, електрони показују и изолационо и проводно понашање у исто време. Неки електрони остају усидрени на месту унутар кристалне решетке, док се други ослобађају и крећу се кроз материјал. Њихово кретање подсећа на флипер који рикошетира између стационарних стубова.
„Ова фаза флипера је веома узбудљива фаза материје коју смо приметили док смо истраживали генерализовани Вигнеров кристал“, рекао је Левандовски. „Неки електрони желе да се смрзну, а други да лебде около, што значи да неки изолују, а неки проводе електричну енергију. Ово је први пут да је овај јединствени квантно-механички ефекат примећен и пријављен за густину електрона коју смо проучавали у нашем раду.“
Зашто су ова открића важна
Ови резултати проширују способност научника да разумеју и контролишу како се материја понаша на квантном нивоу.
„Шта узрокује да нешто буде изолационо, проводљиво или магнетно? Можемо ли нешто да трансмутирамо у другачије стање?“ рекао је Левандовски. „Тражимо да предвидимо где одређене фазе материје постоје и како једно стање може да пређе у друго – када размишљате о претварању течности у гас, замишљате како окрећете дугме за топлоту да би вода прокључала у пару. Овде се испоставило да постоје и друга квантна дугмад са којима можемо да се играмо да манипулишемо стањима материје, што може довести до импресивног напретка у експерименталном истраживању.“
Подешавањем ових квантних дугмади, или енергетских скала, истраживачи могу гурнути електроне из чврсте у течне фазе унутар ових материјала. Разумевање Вигнерових кристала и њихових сродних стања може обликовати будућност квантних технологија, укључујући квантно рачунарство и спинтронику – област физике кондензоване материје која се брзо развија која обећава брже, ефикасније наноелектронске уређаје са нижом потрошњом енергије и смањеним трошковима производње.
Тим има за циљ да даље истражи како електрони сарађују и утичу једни на друге у сложеним системима. Њихов циљ је да се позабаве фундаменталним питањима која би на крају могла покренути иновације у квантним, суперпроводним и атомским технологијама.
