Материя играет в пинбол: учёные наткнулись на фазу, которой не должно существовать

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

Советы шаг за шагом

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: неправильно выбраны параметры двумерного материала.
  Последствие: электронный кристалл не формируется, данные невозможно интерпретировать.
  Альтернатива: использование муаровых гетероструктур или синтетических решёток.
• Ошибка: недостаточная мощность вычислительного кластера.
  Последствие: расчёты занимают недели, симуляции обрываются.
  Альтернатива: облачные HPC-ресурсы, расширение GPU-мощностей.
• Ошибка: игнорирование взаимодействий между электронами.
  Последствие: модель даёт неверные результаты.
  Альтернатива: применение точной диагонализации или DMRG-методов.

А что если…

А что если научиться контролировать такие гибридные электронные фазы? Тогда можно будет создавать полупроводники с настраиваемой проводимостью, квантовые процессоры с улучшенной стабильностью, а также сверхпроводящие цепи для сетей будущего. Если же удастся управлять частично подвижными электронами, это откроет путь к элементам памяти нового поколения и сверхминиатюрным датчикам.

Плюсы и минусы

FAQ

Как выбрать материал для изучения электронных кристаллов?
Обычно используют двумерные структуры: графен, переходные металлы, муаровые гетероструктуры. Важно учитывать геометрию решётки и плотность электронов.

Сколько стоит исследование таких фаз?
Цены сильно варьируются: от нескольких тысяч долларов за вычислительные симуляции до миллионов — за полный экспериментальный цикл с охлаждением и оборудованием.

Что лучше: эксперимент или моделирование?
Оба метода нужны вместе. Симуляции помогают сузить диапазон параметров, а эксперименты подтверждают или корректируют теорию.

Мифы и правда

• Миф: электронные кристаллы существуют только в идеальных условиях.
Правда: они обнаружены в реальных двумерных материалах при низких температурах.

• Миф: такие структуры бесполезны на практике.
Правда: они важны для квантовой электроники и сверхпроводников.

• Миф: электроны в кристаллах полностью неподвижны.
Правда: некоторые фазы совмещают и подвижность, и фиксированность.

Три интересных факта

1. Кристаллы Вигнера впервые предсказали почти 100 лет назад, но доказать их существование удалось лишь в последние десятилетия.

2. В муаровых материалах угол поворота слоёв может менять электронные свойства в тысячи раз.

3. Фаза "квантового пинбола" была обнаружена впервые именно в этих исследованиях.

Исторический контекст

• 1934 год — Юджин Вигнер предлагает идею электронного кристалла.
• 1980-2000-е — появляются первые намёки на кристаллизацию электронов в двумерных системах.
• 2010-е — развитие муаровых материалов открывает новые возможности для изучения фаз.
• 2020-е — вычислительные методы позволяют моделировать тысячи квантовых частиц.
• Настоящее время — открытие гибридных фаз, включая квантовый "пинбол".