Ученые выявили необычное квантовое состояние, в котором часть электронов фиксируется в кристаллической решетке, а другая часть свободно перемещается между ними, подобно шарикам в пинболе.
Электроны в проводниках обычно «текут» как вода в трубе, создавая электрический ток. Тем не менее, в некоторых материалах при определенных условиях они могут неожиданно организовываться в упорядоченные кристаллические структуры. Когда это происходит, материал перестает проводить электричество и становится изолятором. Такие электронные кристаллы называются кристаллами Вигнера — в честь физика, который предсказал их существование еще в 1934 году.
Группа экспертов Университета штата Флорида под руководством Амана Кумара, Хитеша Чанглани и Киприана Левандовского установила точные условия для формирования особого типа такого кристалла — обобщенного кристалла Вигнера. «Мы выяснили, какие «квантовые рычаги» необходимо повернуть, чтобы инициировать этот фазовый переход», — поясняет Чанглани. В отличие от обычных кристаллов Вигнера, где электроны формируют только треугольную решетку, обобщенная версия может принимать различные формы — полос, сот и другие структуры.
Однако самым неожиданным стало открытие совершенно нового состояния материи, которое ученые образно назвали «квантовым пинболом». В этом состоянии часть электронов остается зафиксированной в кристаллической решетке, тогда как другие вырываются и движутся по материалу, отскакивая от неподвижных электронов, как шарик в пинболе.
«Фаза пинбола — это очень захватывающее состояние материи, которое мы наблюдали при исследовании обобщенного кристалла Вигнера», — отмечает Левандовский. «Некоторые электроны остаются зафиксированными, тогда как другие продолжают перемещаться, то есть материя одновременно и изолирует, и проводит электричество. Это первый случай, когда данный уникальный квантово-механический эффект был зафиксирован и зарегистрирован».
Для моделирования поведения сотен взаимодействующих электронов специалисты применяли мощные суперкомпьютеры и сложные алгоритмы, способные обрабатывать огромные объемы квантовых данных. «Мы можем воспроизводить экспериментальные результаты через наше теоретическое понимание состояния материи», — уточняет Кумар.
Это открытие имеет фундаментальное значение для прогресса квантовых технологий. Понимание того, как управлять переходами между различными состояниями материи на квантовом уровне, позволит создать более эффективные квантовые компьютеры, сверхпроводники для энергетики и медицинской визуализации, а также устройства спинтроники — быстрые и энергоэффективные наноэлектронные приборы следующего поколения.
Фото: hi-tech.mail.ru