物理学家发现一种电子“失控”的全新量子态

佛罗里达州立大学的一组物理学家（包括国家强磁场实验室的狄拉克博士后研究员阿曼·库马尔、副教授希特什·昌格拉尼和助理教授西普里安·莱万多夫斯基）现已确定了一种特殊电子晶体——广义维格纳晶体形成的特定条件。在这种状态下，电子排列成固态晶格，同时又能转变为更具流动性的形式。这种混合相被称为广义维格纳晶体，该团队的研究结果发表在《自然》旗下期刊《npj量子材料》上。

科学家早就知道，二维薄层材料中的电子可以凝固成维格纳晶体（1934年首次提出的概念）。近年来的实验已探测到这些结构，但当考虑额外的量子效应时，研究人员尚未完全理解它们是如何形成的。

昌格拉尼表示：“在我们的研究中，我们确定了需要转动哪些‘量子旋钮’来触发这种相变，从而获得广义维格纳晶体。它使用二维莫尔系统，允许形成不同的晶体形状，如条纹或蜂窝状晶体，而传统的维格纳晶体只呈现三角形晶格。”

为探索这些条件，该团队依靠佛罗里达州立大学研究计算中心（信息技术服务部的学术服务单位）以及美国国家科学基金会的ACCESS计划（高级网络基础设施办公室下属的高级计算和数据资源）提供的先进计算工具。他们使用精确对角化、密度矩阵重整化群和蒙特卡洛模拟等方法，测试电子在各种情景下的行为。

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。研究人员使用复杂算法将这些海量信息压缩整理成可检查和解释的网络。

“我们能够通过对物质状态的理论理解来模拟实验结果，”库马尔说，“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——代表系统总量子能量——细节的强大数值技术）进行精确的理论计算。通过这些，我们能够解释晶体状态是如何形成的，以及为什么它们比其他能量竞争状态更受青睐。”

在研究广义维格纳晶体时，团队还发现了另一种令人惊讶的物质状态——“弹球相”。在这种新发现的相中，电子同时表现出绝缘和导电行为：一些电子固定在晶格中，另一些则挣脱束缚在材料中移动，其运动类似于弹球在固定柱子间反弹。

“弹球相是我们在研究广义维格纳晶体时观察到的一种非常令人兴奋的物质相，”莱万多夫斯基说，“一些电子想要‘冻结’，另一些则想要‘漂浮’，这意味着一些电子表现为绝缘体，一些则导电。这是首次在我们研究的电子密度下观察并报道这种独特的量子力学效应。”

这些结果增强了科学家理解和控制物质在量子水平行为的能力。莱万多夫斯基说：“是什么导致物质具有绝缘性、导电性或磁性？我们能否将某种物质转变为不同的状态？我们正致力于预测某些物相的存在位置以及一种状态如何转变为另一种状态——就像你通过调高‘热量旋钮’使水沸腾变成蒸汽一样，在这里，事实证明我们可以通过调节其他‘量子旋钮’来操控物质状态，这有望推动实验研究取得显著进展。”

通过调节这些“量子旋钮”（即能量尺度），研究人员可以推动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——凝聚态物理学中一个快速发展的领域，有望制造出更快、更高效、能耗更低且制造成本更低的纳米电子器件。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，其目标是解决最终可能推动量子、超导和原子技术创新的基本问题。