Ανακαλύφθηκε νέο κβαντικό φαινόμενο και ανοίγει τον δρόμο για προηγμένους υπερυπολογιστές

Μια ομάδα φυσικών στο Florida State University αποκάλυψε μια εντυπωσιακή νέα κατάσταση ύλης, στην οποία τα ηλεκτρόνια μπορούν να μετακινούνται μεταξύ κρυσταλλικών και ρευστών καταστάσεων, δημιουργώντας μια απρόσμενη υβριδική φάση που συνδυάζει σταθερά και κινούμενα σωματίδια. Τα ευρήματα, που δημοσιεύονται στο Quantum Materials, προσφέρουν νέες προοπτικές για την κβαντική πληροφορική, τους υπεραγωγούς υψηλής απόδοσης και τις υπερ-αποδοτικές ηλεκτρονικές συσκευές.

Η ηλεκτρική ροή είναι η βάση της σύγχρονης τεχνολογίας, από τα αυτοκίνητα και τα κινητά μέχρι τους υπολογιστές και τα δίκτυα ενέργειας. Σε ορισμένα υλικά, ωστόσο, τα ηλεκτρόνια μπορούν να παγώσουν σε κρυσταλλικά μοτίβα, μετατρέποντας το υλικό από αγωγό σε μονωτή. Αυτές οι μεταβάσεις παρέχουν στους επιστήμονες σημαντικά στοιχεία για τις αλληλεπιδράσεις των ηλεκτρονίων και ανοίγουν δρόμους για νέες εφαρμογές σε κβαντική τεχνολογία και ακριβή χρονόμετρα.

Η ομάδα του FSU κατόρθωσε να εντοπίσει τις ακριβείς συνθήκες που επιτρέπουν τη δημιουργία ενός ειδικού είδους κρυστάλλου ηλεκτρονίων, γνωστού ως γενικευμένος Wigner κρύσταλλος. Σε αυτήν την κατάσταση, τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν έναν σταθερό πλέγμα, αλλά μπορούν ταυτόχρονα να μεταβούν σε πιο ρευστή μορφή. Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν προηγμένα υπολογιστικά εργαλεία και τεχνικές για να κατανοήσουν την αλληλεπίδραση εκατοντάδων ή χιλιάδων ηλεκτρονίων και να απεικονίσουν τις φάσεις αυτές.

Η διαδικασία απαιτεί την επεξεργασία τεράστιων ποσοτήτων δεδομένων κβαντικής πληροφορίας. Κάθε ηλεκτρόνιο φέρει δύο κομμάτια πληροφορίας και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ πολλών σωματιδίων δημιουργούν τεράστιο όγκο δεδομένων. Με προηγμένους αλγόριθμους, η ομάδα μπόρεσε να συμπιέσει και να οργανώσει τις πληροφορίες, αναδημιουργώντας με ακρίβεια τα πειραματικά ευρήματα και επιτρέποντας την κατανόηση του τρόπου σχηματισμού των κρυστάλλων.

Κατά τη μελέτη του γενικευμένου Wigner κρυστάλλου, οι ερευνητές ανακάλυψαν μια ακόμη πιο ασυνήθιστη κατάσταση, που ονόμασαν «φάση pinball». Σε αυτή τη φάση, κάποια ηλεκτρόνια παραμένουν σταθερά στη θέση τους, ενώ άλλα κινούνται ελεύθερα μέσα στο υλικό, δημιουργώντας έναν συνδυασμό μονωτικής και αγώγιμης συμπεριφοράς. Η κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων μοιάζει με τις μπάλες σε ένα παιχνίδι pinball (φλιπεράκι), που αναπηδούν ανάμεσα σε σταθερά εμπόδια. Η παρατήρηση αυτής της υβριδικής συμπεριφοράς αποτελεί πρώτη φορά που καταγράφεται για τις συνθήκες ηλεκτρονικής πυκνότητας που μελέτησε η ομάδα.

Η κατανόηση και η ρύθμιση τέτοιων κβαντικών φάσεων ανοίγει νέους δρόμους για την ανάπτυξη προηγμένων τεχνολογιών. Με το να «στρίβουν τα κατάλληλα κβαντικά κουμπιά», οι επιστήμονες μπορούν να μεταφέρουν τα ηλεκτρόνια από στερεές σε ρευστές καταστάσεις, επηρεάζοντας την αγωγιμότητα, τη μαγνητική συμπεριφορά και άλλες ιδιότητες της ύλης. Η γνώση αυτή μπορεί να εφαρμοστεί σε κβαντικούς υπολογιστές, spintronics και να οδηγήσει σε μικρο-ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής απόδοσης με χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας και μειωμένο κόστος παραγωγής.