物理学家揭示了电子在类晶体态与类液态之间切换的机制，发现了一种冻结电子与移动电子共存的奇异杂化相。这些洞见可能为量子计算、超导和超高效电子学开辟新路径。
电子晶体的形成
科学家早已知道，在薄薄的二维材料中，电子可以固化成维格纳晶体，这一概念最早于1934年提出。近年的实验已探测到这些结构，但研究人员此前尚未完全理解在考虑额外量子效应后它们是如何形成的。
“在我们的研究中，我们确定了需要转动哪些‘量子旋钮’来触发这一相变，并实现广义维格纳晶体，” Changlani 说道。“这利用了二维莫尔系统，可以形成不同的晶体形状，如条纹状或蜂窝状晶体，这与仅显示三角形晶格晶体的传统维格纳晶体不同。”
为了探索这些条件，该团队依赖了某机构研究计算中心以及美国国家科学基金会的ACCESS项目等先进计算工具。他们使用了精确对角化、密度矩阵重正化群和蒙特卡洛模拟等方法，来测试电子在不同场景下的行为。
处理海量量子数据
量子力学为每个电子赋予两条信息，当数百或数千个电子相互作用时，数据总量变得极其庞大。研究人员使用复杂的算法将这些海量信息压缩并组织成可被检查和解释的网络。
“我们通过理论理解物质状态，来模拟实验结果，” Kumar 说道。“我们使用最先进的张量网络计算和精确对角化（物理学中用于收集量子哈密顿量细节的强大数值技术）进行精确的理论计算。通过这种方式，我们可以描绘出晶体状态是如何形成的，以及为何它相对于其他能量竞争态更受青睐。”
一种新的杂化态：量子弹球相
在研究广义维格纳晶体的过程中，团队发现了另一种令人惊讶的物质状态。在这个新发现的相中，电子同时表现出绝缘和导电行为。一些电子仍固定在晶格中，而另一些则挣脱束缚，在材料中自由移动。它们的运动类似于弹球在固定柱之间反弹。
“这个弹球相是我们在研究广义维格纳晶体时观察到的非常令人兴奋的物质相，” Lewandowski 说道。“一些电子想要冻结，而另一些则想要四处漂浮，这意味着有些电子是绝缘的，有些则在导电。这是我们研究中首次观察到并报道的，针对所研究电子密度出现的这种独特的量子力学效应。”
为何这些发现意义重大
这些结果扩展了科学家理解和控制物质在量子层面行为的能力。
“是什么导致物质绝缘、导电或具有磁性？我们能否将一种物质转变为另一种状态？” Lewandowski 说道。“我们试图预测某些物质相存在于何处，以及一种状态如何转变为另一种状态——当你想到将液体变成气体时，你会想象转动加热旋钮使水沸腾成蒸汽。事实证明，还有其他量子旋钮可以用来操纵物质状态，这可以推动实验研究取得显著进展。”
通过调节这些量子旋钮或能量尺度，研究人员可以推动这些材料中的电子从固态转变为液态。理解维格纳晶体及其相关状态可能会塑造量子技术的未来，包括量子计算和自旋电子学——凝聚态物理中一个快速发展的领域，有望以更低的能耗和制造成本，实现更快、更高效的纳米电子器件。
该团队旨在进一步探索电子在复杂系统中如何协作和相互影响。他们的目标是解决那些最终可能推动量子、超导和原子技术创新的基本问题。FINISHED
