Florida Eyalet Üniversitesi’ndeki araştırmacılar daha önce bilinmeyen bir şeyi ortaya çıkardılar kuantum Elektronların aynı anda kristal katılar ve serbest akışlı sıvılar gibi davrandığı madde fazı.
Dergide yayımlanan buluş NPJ Kuantum Malzemelerimaddenin kuantum düzeyinde nasıl davrandığına dair anlayışımızı yeniden şekillendirebilir ve yeni yollar açabilir. kuantum hesaplamaspintronik ve yeni nesil elektronikler.
Keşfin merkezinde, teorik olarak uzun bir elektron kafesi olan genelleştirilmiş Wigner kristali yer alıyor. Ancak FSU ekibi daha da tuhaf bir şey buldu. Yapı çoğunlukla katı kalsa bile, bazı elektronların bir kristale kilitlendiği, diğerlerinin ise elektriği iletmek üzere serbest kaldığı bir “langırt” aşaması belirlediler.
Ekip, iki boyutlu bir hareli süper örgüde elektronların etkileşimlerini titizlikle ayarlayarak, katı benzeri ve sıvı benzeri elektron davranışlarının bir arada var olabileceğini gösterdi; bu, yoğun madde için derin anlamlara sahip, maddenin şimdiye kadar görülmemiş bir halidir fizik ve kuantum cihaz mühendisliği.
FSU’da yardımcı yazar ve fizik alanında yardımcı doçent olan Dr. Cyprian Lewandowski, “Bu tilt aşaması, genelleştirilmiş Wigner kristalini araştırırken gözlemlediğimiz, maddenin çok heyecan verici bir aşamasıdır” dedi. söz konusu bir açıklamada. “Bazı elektronlar donmak istiyor ve diğerleri etrafta dolaşmak istiyor, bu da bazılarının yalıtkan, bazılarının ise elektriği ilettiği anlamına geliyor. Bu, çalışmamızda incelediğimiz elektron yoğunluğu için bu benzersiz kuantum mekaniksel etkinin ilk kez gözlemlendiği ve rapor edildiği zamandır.”
Ekibin çalışması, 1934’te “Wigner kristali”ni öneren Nobel ödüllü fizikçi Dr. Eugene Wigner’in teorik geçmişine dayanıyor.
Dr. Wigner, elektronlar aşırı derecede seyreldiğinde, karşılıklı itilmelerinin onları katı, kristal benzeri bir yapıya zorlayabileceğini gösterdi. Bu durumda elektronlar serbestçe hareket etmek yerine düzenli bir kafes şeklinde yerleştirerek Coulomb enerjilerini en aza indirir.
Ancak çoğu gerçek malzemede bu mükemmel kristal asla oluşmaz. Termal hareket, kinetik enerji ve düzensizlik genellikle deseni stabil hale gelmeden önce eritir. Bu sınırların üstesinden gelmek için araştırmacılar, elektronları, atomik olarak ince iki TMD katmanının hafif bir dönme bükülmesiyle istiflenmesiyle oluşturulan hareli bir süper kafesin içine yerleştirdiler. Bu yapı elektronları yavaşlatır ve etkileşimlerini artırarak kristal düzenlemeleri daha olası hale getirir.
Araştırmacılar daha sonra sistemin tam faz diyagramını haritalandırmak için birkaç gelişmiş sayısal araç (kesin köşegenleştirme, yoğunluk matrisi yeniden normalleştirme grubu (DMRG) ve Monte Carlo simülasyonları) kullandılar. Tam uzun menzilli Coulomb etkileşimini dahil ettiklerinde, elektronlar fraksiyonel dolgularda kararlı, genelleştirilmiş Wigner kristalleri oluşturdu.
Yazarların “langırt” aşaması olarak tanımladığı şeyin keşfi daha da şaşırtıcıydı. Bu durumda, elektronik yükün bir kısmı sabit bir üçgen düzende lokalize olurken, geri kalan yük lokalize olarak kalır.
Kısmen düzenli yapı, belirli etkileşim terimleri dahil edildiğinde ortaya çıkar ve “üçgen kristalin bölgelerindeki yük merkezlerine… ve kalan… yük yoğunluğunun… diğer bölgelerde lokalizasyonuna” yol açar.
Bu melez durum, etkileşim enerjisi ile hareketli elektronların kinetik enerjisi arasındaki dengeden ortaya çıkar.
Araştırmacılar, “Sıfır ve sonlu sıcaklıklarda hem klasik hem de kuantum etkilerini inceliyoruz, şarj kesintisinin rolünü tartışıyoruz, klasik analogu olmayan, kısmen kuantumla erimiş bir GWC olan ‘langırt’ aşamasını tanımlıyoruz” diye yazıyor araştırmacılar.
Malzeme biliminin daha geniş dünyasında bu keşif, araştırmacıların malzemedeki faz geçişleri hakkındaki düşüncelerini yeniden şekillendiriyor. kuantum sistemleri. Isı eklendikçe maddenin katıdan sıvıya, oradan da gaza geçişine alışığız. Ancak bu rejimde değişimi yönlendiren “düğmeler” doğası gereği kuantumdur. Elektron yoğunluğu, malzemenin hareli deseni ve yakındaki kapı elektroduna olan mesafe gibi faktörlerin tümü, elektronların katı bir katı gibi mi yoksa akan bir sıvı gibi mi davranacağını etkiler.
Çalışmanın en ilgi çekici sonuçlarından biri, yalıtkanlık ve iletkenlik davranışının bir arada var olduğu bir aşamanın belirlenmesidir. Mühendisler bu hibrit durumu kontrol etmeyi öğrenirlerse, elektronların serbestçe aktığı kanalların hemen yanında duran, hareket etmeyen izole elektron ceplerine sahip malzemeler yaratabilirler. Bu düzeyde bir kontrol, düşük enerjili spintroniklerin, daha kararlı kubitlerin ve son derece hassas olanların temelini oluşturabilir. kuantum cihazları.
Daha genel anlamda yazarlar, genelleştirilmiş Wigner kristalinin kendisinin metal-yalıtkan geçişine yakın durduğunu, yani bir malzemenin akımı taşımaktan onu engellemeye geçebileceği bir nokta olduğunu bulmuşlardır. “Etkili parametrelerin GWC’yi MIT’ye yakın konumlandırdığı” sonucuna vardılar; bu yakınlık “düzensizlik gibi ek rahatsızlıklara karşı kırılgan olduğunu gösterebilir.”
Pratik anlamda, elektron kafesi kararlı fakat hassastır; dolayısıyla gerçek bir malzemedeki kusurlar, daha metalik veya daha fazla yalıtıcı davranan küçük bölgelerin yaratılmasına yardımcı olabilir.
Bu aşamaların gerçekçi kurulumlarda nasıl davranabileceğini anlamak için ekip, farklı tarama koşullarına verilen yanıtları inceledi. Hesaplamalarında, numune ile yakındaki bir kapı arasındaki mesafe, elektronların onunla nasıl etkileşime girdiğini güçlü bir şekilde etkiliyor. Araştırmacıların belirttiği gibi, “kapıdan numuneye mesafeyi ayarlamanın yük ve manyetik sipariş sıcaklık ölçekleri üzerindeki etkisini tahmin ettiler.”
Bu mesafe hareli kafesin aralığıyla karşılaştırılabilir hale geldiğinde, kristal benzeri düzen erimeye başlayabilir ve yazarlar bu tür koşulların elde edilmesinin mevcut deneylerin kapsamı dahilinde olduğunu belirtmektedir. Bu, bu fazların nasıl oluştuğunu ve çözüldüğünü doğrudan izleyen laboratuvar ölçümlerinin kapısını açıyor.
Aynı atomik katmanda hem hareketli hem de hareketsiz elektronları barındırabilen malzemeler, tamamen yeni bir elektron sınıfının kilidini açabilir. kuantum teknolojileri. Kübitlerden gelişmiş spintronik devrelere ve ultra verimli mantık bileşenlerine kadar elektron hareketinin hassas kontrolüne dayanan cihazlar, katı benzeri ve sıvı benzeri davranışların bir arada var olduğu fazlardan faydalanmaya hazırdır.
Yatırım olarak kuantum araştırmalar hızlandıkça, bunun gibi keşifler gelecekteki donanımın rotasını çizmeye yardımcı oluyor. Elektronların aşırı koşullar altında kendilerini nasıl organize ettiğini anlamak kuantum Koşullar, günümüzün klasik elektroniklerinden daha küçük, daha verimli ve çok daha yetenekli malzemelerin tasarlanması için bir plan sunuyor.
Yine de araştırmacılar, teorik tahminlerin sağlam olmasına rağmen deneysel doğrulama ve mühendisliğin devam ettiğini vurguluyor.
Sonraki adımlar, özellikle erime sıcaklıklarını, geçit mesafesi bağımlılıklarını ve dönüş korelasyonlarını ölçerek, gerçek hareli TMD sistemlerinde tilt aşamasını gözlemlemek için deneylere rehberlik etmeyi içerir. Makale, mevcut kriyojenik araçlarla erişilebilen, yüzlerce millikelvin ila birkaç kelvin aralığında manyetik geçiş sıcaklıklarını tahmin ediyor.
Sonuçta bunun keşfi kuantum “langırt” aşaması, egzotik maddenin fiziğine çarpıcı yeni bir bölüm ekliyor. Bu, elektronların doğru ortama yerleştirildiğinde, kristal desenlere kilitlenmek, sıvı gibi hareket etmek ve her ikisini de aynı anda yapmak gibi olağan kuralları çiğneyebileceklerini gösteriyor.
Bu çalışma onlarca yıllık bir teoriyi keskinleştirirken, malzemelerin kısmen katı, kısmen sıvı ve tamamen elektronları barındıracak şekilde tasarlanabileceği bir geleceğe işaret ediyor. kuantum davranışlarında.
“Bir şeyin yalıtkan, iletken veya manyetik olmasına ne sebep olur? Bir şeyi farklı bir duruma dönüştürebilir miyiz?” Dr. Lewandowski şunları söyledi. “Maddenin belirli evrelerinin nerede var olduğunu ve bir durumdan diğerine nasıl geçebileceğini tahmin etmeye çalışıyoruz; bir sıvıyı gaza dönüştürmeyi düşündüğünüzde, suyu buhara kaynatmak için bir ısı düğmesini çevirdiğinizi hayal edersiniz.”
Lewandowski şu sonuca varıyor: “Burada, maddenin hallerini manipüle etmek için kullanabileceğimiz başka kuantum düğmelerinin olduğu ortaya çıktı; bu da deneysel araştırmalarda etkileyici ilerlemelere yol açabilir.”
Tim McMillan emekli bir kolluk kuvveti yöneticisi, araştırmacı muhabir ve The Debrief’in kurucu ortağıdır. Yazıları genellikle savunma, ulusal güvenlik, İstihbarat Topluluğu ve psikoloji ile ilgili konulara odaklanmaktadır. Tim’i Twitter’da takip edebilirsiniz: @LtTimMcMillan. Tim’e e-posta yoluyla ulaşılabilir: [email protected] veya şifreli e-posta yoluyla: [email protected]
