Elektrony w nietypowej roli. Jednocześnie przewodzą i izolują
Zespół badawczy określił nowo zaobserwowane zjawisko mianem kwantowego flippera. W tej fazie materia wykazuje właściwości zarówno przewodnika, jak i izolatora. Część elektronów układa się w regularne wzory, podczas gdy pozostałe przemieszczają się swobodnie w obrębie systemu.
Ta faza flippera to bardzo ekscytujący stan materii, który zaobserwowaliśmy podczas badania uogólnionego kryształu Wignera. Niektóre elektrony chcą zamarznąć, a inne chcą się swobodnie poruszać, co oznacza, że niektóre są izolatorami, a inne przewodnikami prądu – tłumaczy Cyprian Lewandowski z Florida State University
Do stworzenia warunków niezbędnych do zaobserwowania tego zjawiska naukowcy wykorzystali dwuwymiarowe układy moiré. Te specjalne struktury powstają poprzez nałożenie dwóch warstw materiału pod niewielkim kątem, co pozwala na tworzenie różnorodnych konfiguracji krystalicznych. Badacze zastosowali zaawansowane techniki obliczeniowe, w tym diagonalizację dokładną i symulacje Monte Carlo. Okazało się, iż wcześniejsze modele pomijały istotny czynnik – długozasięgowe oddziaływania Coulomba między elektronami, co prowadziło do niepełnego zrozumienia zachodzących procesów.
Jesteśmy w stanie naśladować wyniki eksperymentalne poprzez nasze teoretyczne zrozumienie stanu materii. Przeprowadzamy precyzyjne obliczenia teoretyczne, wykorzystując najnowocześniejsze obliczenia sieci tensorowych i dokładną diagonalizację – dodaje Aman Kumar
Odkryto, iż zmiana parametrów takich jak odległość bramki wpływa na stabilność uogólnionego kryształu Wignera. Przy niższych wartościach tego parametru struktura krystaliczna może ulegać przekształceniu w ciecz Fermiego.
Zastosowania od komputerów kwantowych po precyzyjne pomiary
Według obliczeń temperatury przejścia magnetycznego w tych systemach mieszczą się w zakresie 0,2-1 kelwina, co jest wartością osiągalną w warunkach laboratoryjnych. Co istotne, uogólnione kryształy Wignera znajdują się bliżej przejścia metal-izolator niż wcześniej zakładano. Potencjalne zastosowania tego odkrycia obejmują różne dziedziny technologii. Lepsze zrozumienie przejść fazowych w systemach kwantowych może przyczynić się do rozwoju komputerów kwantowych, które wymagają precyzyjnej kontroli nad stanami elektronów.
W obszarze spintroniki, technologii wykorzystującej spin elektronów do przetwarzania informacji, nowe odkrycie może otworzyć drogę do stworzenia wydajniejszych urządzeń. Istnieje również potencjał w dziedzinie precyzyjnych zegarów atomowych, gdzie stabilność właściwości materiałów ma kluczowe znaczenie. Zespół planuje kontynuować badania nad kooperacyjnym zachowaniem elektronów, co może przynieść kolejne interesujące wyniki. Odkrycie kwantowego flippera pokazuje, że to, co wydawało się sprzeczne z dotychczasową wiedzą, okazuje się możliwe i może mieć praktyczne znaczenie dla przyszłych technologii.