Электроны в проводниках обычно «текут» подобно воде в трубе, создавая электрический ток. Однако в некоторых материалах при определенных условиях они могут внезапно организоваться в упорядоченные кристаллоподобные структуры. Когда это происходит, материал прекращает проводить электричество и становится изолятором. Такие электронные кристаллы называются кристаллами Вигнера — по имени физика, предсказавшего их существование еще в 1934 году.
Команда специалистов Университета штата Флорида под руководством Амана Кумара, Хитеша Чанглани и Киприана Левандовского определила точные условия формирования особого типа такого кристалла — обобщенного кристалла Вигнера. «Мы выяснили, какие «квантовые рычаги» нужно повернуть, чтобы запустить этот фазовый переход», — объясняет Чанглани. В отличие от обычных кристаллов Вигнера, в которых электроны образуют только треугольную решетку, обобщенный вариант может принимать различные формы — полос, сот и другие структуры.
Но самым неожиданным стало обнаружение совершенно нового состояния материи, которое ученые образно назвали «квантовым пинболом». В этом состоянии часть электронов остается заякоренной в кристаллической решетке, а другие вырываются и движутся по материалу, отскакивая от неподвижных электронов как шарик между столбиками в пинболе.
«Фаза пинбола — очень захватывающее состояние материи, которое мы наблюдали при изучении обобщенного кристалла Вигнера», — говорит Левандовский. «Некоторые электроны застывают, а другие продолжают циркулировать вокруг, то есть материя одновременно и изолирует, и проводит электричество. Это первый случай, когда этот уникальный квантово-механический эффект был обнаружен и зарегистрирован».
Для моделирования поведения сотен взаимодействующих электронов специалисты использовали мощные суперкомпьютеры и сложные алгоритмы, способные обрабатывать огромные объемы квантовых данных. «Мы можем имитировать экспериментальные результаты через наше теоретическое понимание состояния материи», — поясняет Кумар.
Открытие имеет фундаментальное значение для развития квантовых технологий. Понимание того, как можно 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.
Ранее в Томске создали эмулятор квантового компьютера.
