Квантовый атом © Generated by AI (DALL·E 3 by OpenAI) is licensed under Free for commercial use (OpenAI License) Алексей Кузнецов Опубликована сегодня в 3:26 Материя играет в пинбол: учёные наткнулись на фазу, которой не должно существовать Симуляции показали гибридную электронную фазу пинбола — доцент Левандовски Современный мир держится на электричестве: оно подпитывает домашнюю технику, запускает электромобили, поддерживает связь и делает возможной работу вычислительных систем. Хотя само движение электронов скрыто от глаз, по своим свойствам оно напоминает поток воды, проходящий по трубе, — тот же непрерывный перенос энергии. Но в определённых материалах это движение может совершенно неожиданно остановиться и превратиться в строго упорядоченную структуру, похожую на твёрдый кристалл. Когда электроны "застывают" в такой решётке, материал теряет способность проводить ток и ведёт себя как изолятор. Это явление особенно важно для исследований в области высокотемпературной сверхпроводимости, квантовых технологий, атомных часов и передовых оптических систем. Недавняя работа физиков Университета штата Флорида внесла вклад в понимание того, какие факторы заставляют электроны переходить в необычные состояния. Команда определила условия, при которых формируется особый тип электронного кристалла — структура, где частицы могут быть не только упорядоченными, но и частично "растаявшими", сохраняя подвижность. Такое состояние называют обобщённым кристаллом Вигнера. Результаты опубликованы в научном журнале npj, посвящённом квантовым материалам. Как электроны превращаются в кристаллы Идея того, что электроны способны образовывать жёсткие кристаллические структуры, появилась ещё в 1934 году. Этот тип упорядочения получил название кристалла Вигнера. Однако в реальных наноматериалах, особенно двумерных, на движение электронов влияют дополнительные квантовые эффекты. Это усложняет вопрос: почему одни системы позволяют кристаллизоваться, а другие — нет? Исследователи попытались найти ответ с помощью сложных вычислительных моделей и симуляций. Они изучали двумерные муаровые материалы — структуры, где два слоя атомов перекрываются под небольшим углом. В таких условиях электроны могут формировать совершенно необычные узоры. "В нашем исследовании мы определили, какие "квантовые ручки" нужно повернуть, чтобы вызвать этот фазовый переход и получить обобщенный кристалл Вигнера, который использует двумерную муаровую систему и позволяет формировать различные кристаллические формы, такие как полоски или сотовые кристаллы, в отличие от традиционных кристаллов Вигнера, которые демонстрируют только треугольную решетку", — сказал доцент Хитеш Чанглани. Чтобы отслеживать поведение электронов, команда применила несколько передовых методов: точную диагонализацию, ренормгруппу матрицы плотности и Монте-Карло моделирование. Эти подходы требуют огромных вычислительных ресурсов, поэтому исследователи использовали возможности университетского центра высокопроизводительных вычислений, а также платформу ACCESS Национального научного фонда. Как справиться с потоками квантовых данных Каждый электрон хранит в себе два ключевых параметра, и когда взаимодействуют сотни таких частиц, общее количество возможных состояний возрастает лавинообразно. Чтобы извлечь из этого массива полезную информацию, нужны особые алгоритмы, способные сжимать и структурировать данные, не теряя физического смысла. "Мы можем воспроизвести экспериментальные результаты благодаря нашему теоретическому пониманию состояния вещества", — сказал постдок Амана Кумар. Доцент Аман Кумар заявил, что проводятся точные теоретические расчёты, используя передовые методы тензорных сетей и точную диагонализацию — мощный численный метод, используемый в физике для сбора информации о квантовом гамильтониане, представляющем полную квантовую энергию в системе. Благодаря этому есть возможность представить картину того, как возникли кристаллические состояния и почему они предпочтительнее других энергетически конкурентоспособных состояний. Эти вычисления позволили исследователям увидеть, как электроны взаимодействуют на уровне, недоступном эксперименту напрямую. Неожиданная гибридная фаза: квантовый "пинбол" Одним из самых интригующих результатов стала находка новой фазы материи. Исследуя переход между различными формами обобщённого кристалла Вигнера, физики обнаружили состояние, в котором электроны одновременно и закреплены, и свободны. Часть их остаётся в решётке, а другая часть перемещается, сталкиваясь с неподвижными соседями — чем-то это напоминает движение шарика в игре "пинбол". "Эта фаза пинбола — очень интересная фаза материи, которую мы наблюдали, исследуя обобщённый кристалл Вигнера", — сказал доцент Киприан Левандовски. По его словам, некоторые электроны стремятся застыть, а другие — парить, что означает, что некоторые из них являются изолирующими, а некоторые — проводящими электричество. Впервые этот уникальный квантово-механический эффект был обнаружен и описан для плотности электронов, которую мы изучали в нашей работе. Эта гибридность может оказаться важной для развития квантовых схем и материалов со "встроенной" изменяемой проводимостью. Что дают эти открытия По сути, учёные ищут ответ на вопрос: почему один материал проводит ток, а другой нет? Что заставляет вещество превращаться из магнетика в изолятор, а затем — в сверхпроводник? "Что делает что-то изолирующим, проводящим или магнитным? Можем ли мы преобразовать что-то в другое состояние?" — отметил Левандовски. Опираясь на найденные закономерности, исследователи описали, как можно управлять электронными фазами с помощью квантовых "регуляторов" — параметров, способных менять структуру энергии в материале. Аналогия проста: чтобы вода закипела, достаточно повернуть ручку нагрева. В квантовом мире такие "ручки" тоже существуют, но они гораздо тоньше: силы взаимодействия, распределение электронов, особенности решётки. Понимание того, как возникают кристаллы Вигнера, поможет развивать квантовые вычислители, создавать сверхпроводники нового поколения и совершенствовать спинтронные устройства — небольшие, быстрые и экономичные наноэлектронные системы. Сравнение исследуемых электронных фаз Source: https://www.newsinfo.ru/articles/quantum-electron-phases-2ea/949449/