Μια καινοτόμος ομάδα φυσικών από το Florida State University αποκάλυψε μια συναρπαστική νέα κατάσταση ύλης, στην οποία τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται μεταξύ κρυσταλλικών και ρευστών φάσεων, δημιουργώντας μια απρόσμενη υβριδική κατάσταση που συνδυάζει σταθερά και κινητικά σωματίδια. Τα ευρήματα, που έχουν δημοσιευθεί στο Quantum Materials, ανοίγουν νέες προοπτικές για την κβαντική πληροφορική, τους υπεραγωγούς υψηλής απόδοσης και τις υπερ-αποδοτικές ηλεκτρονικές συσκευές.
Η ηλεκτρική ροή είναι το θεμέλιο της σύγχρονης τεχνολογίας, επηρεάζοντας τα πάντα, από αυτοκίνητα και κινητά τηλέφωνα μέχρι υπολογιστές και δίκτυα ενέργειας. Ωστόσο, σε ορισμένα υλικά, τα ηλεκτρόνια μπορεί να παγώσουν σε κρυσταλλικά μοτίβα, μετατρέποντας το υλικό από αγωγό σε μονωτή. Αυτές οι μεταβάσεις παρέχουν πολύτιμους δείκτες για τις αλληλεπιδράσεις των ηλεκτρονίων και ανοίγουν νέους δρόμους για εφαρμογές στην κβαντική τεχνολογία και στους ακριβείς χρονόμετρους.
Η έρευνα της ομάδας του FSU εντόπισε τις ειδικές συνθήκες που επιτρέπουν τη δημιουργία ενός μοναδικού κρυστάλλου ηλεκτρονίων, γνωστού ως γενικευμένος Wigner κρύσταλλος. Σε αυτήν την κατάσταση, τα ηλεκτρόνια διαμορφώνουν ένα σταθερό πλέγμα, ωστόσο, είναι σε θέση ταυτόχρονα να μεταβούν σε πιο ρευστές μορφές. Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν προηγμένα υπολογιστικά εργαλεία και τεχνικές για να κατανοήσουν τις πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις εκατοντάδων ή χιλιάδων ηλεκτρονίων και να απεικονίσουν αυτές τις φάσεις.
Η διαδικασία απαιτεί την ανάλυση τεράστιων ποσοτήτων κβαντικών δεδομένων. Κάθε ηλεκτρόνιο φέρει διπλή πληροφορία, και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ πολλών σωματιδίων δημιουργούν όγκο δεδομένων. Μέσω προηγμένων αλγορίθμων, η ομάδα κατάφερε να συμπιέσει και να οργανώσει τις πληροφορίες, αναδημιουργώντας με ακρίβεια τα πειραματικά ευρήματα και επιτρέποντας την κατανόηση του τρόπου σχηματισμού των κρυστάλλων.
Κατά την ανάλυση του γενικευμένου Wigner κρυστάλλου, οι ερευνητές ανακάλυψαν μια ακόμα πιο περίεργη κατάσταση, που ονόμασαν «φάση pinball». Σε αυτή τη φάση, ορισμένα ηλεκτρόνια παραμένουν στη θέση τους, ενώ άλλα κινούνται ελεύθερα μέσα στο υλικό, δημιουργώντας έναν συνδυασμό μονωτικής και αγώγιμης συμπεριφοράς. Η κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι παρόμοια με τις μπάλες σε ένα φλιπεράκι, που αναπηδούν ανάμεσα σε σταθερά εμπόδια. Αυτή η υβριδική συμπεριφορά είναι η πρώτη φορά που παρατηρείται για τις συγκεκριμένες συνθήκες ηλεκτρονικής πυκνότητας που μελετήθηκαν από την ομάδα.
Η κατανόηση και η ρύθμιση τέτοιων κβαντικών φάσεων ανοίγει νέες δυνατότητες για την ανάπτυξη προηγμένων τεχνολογιών. Με το να «στρίβουν τα σωστά κβαντικά κουμπιά», οι επιστήμονες μπορούν να μεταφέρουν τα ηλεκτρόνια από στερεές σε ρευστές καταστάσεις, επηρεάζοντας τη αγωγιμότητα, τη μαγνητική συμπεριφορά και άλλες κρίσιμες ιδιότητες της ύλης. Αυτή η γνώση μπορεί να βρει εφαρμογές σε κβαντικούς υπολογιστές, spintronics και να οδηγήσει σε μικρο-ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής απόδοσης με χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας και μειωμένο κόστος παραγωγής.
