Исследователи из Российского квантового центра (РКЦ), Университета ИТМО и МФТИ впервые показали, что коллективное поведение электронов в ультратонком материале можно наблюдать с помощью света. Работа опубликована в авторитетном научном журнале Physical Review B и реализована в рамках дорожной карты по развитию квантовых вычислений, которой руководит госкорпорация «Росатом».
Результат важен для одного из ключевых направлений современной физики и квантовых технологий — изучения сложных материалов, в которых частицы ведут себя как единая система. Именно коллективные эффекты лежат в основе многих перспективных явлений, включая сверхпроводимость, необычный магнетизм и новые электронные состояния. Понимание этих процессов необходимо для разработки будущих материалов, квантовых устройств и более эффективной электроники.
В обычных условиях электроны в твердом теле могут двигаться почти свободно. Но если материал сильно охладить и уменьшить плотность частиц, электроны начинают заметно отталкиваться друг от друга, и вместо хаотичного движения в определенный момент они выстраиваются в регулярную решетку. Такое состояние называют вигнеровским кристаллом. Исследователи наблюдали такой электронный кристалл в монослое диселенида вольфрама — полупроводнике размером до нанометра, который относится к двумерным материалам и по толщине уступает человеческому волосу примерно в сто тысяч раз. Обычно подобные состояния изучают с помощью электрических измерений или в сильных магнитных полях. Однако ученым удалось увидеть признаки электронного кристалла оптически, то есть через отклик материала на свет, и без внешнего магнитного поля.
По словам руководителя научной группы РКЦ и МФТИ, одного из авторов работы Александра Чернова, в результате научное сообщество получает новый инструмент для изучения квантовых состояний, в которых большое число частиц ведет себя как единое целое. Исследователям не придется усложнять образец большим числом электрических контактов или использовать сильные магнитные поля, что сделает изучение сильно взаимодействующих электронных систем более удобным. В перспективе такие двумерные структуры могут использоваться как основа для твердотельных квантовых симуляторов — квантовых платформ, помогающих моделировать поведение сложных материалов. Подобные задачи зачастую невозможны для решения на классических суперкомпьютерах, поскольку в них требуется учитывать коллективное поведение огромного числа частиц.