Квантовое «пинбольное» состояние материи в электронах позволяет проявлять как проводящие, так и изолирующие свойства, обнаружили физики
Нелокальность, заложенная в идентичности частиц
На самых глубоких физических основаниях мир кажется нелокальным: частицы, разделённые в пространстве, ведут себя не как независимые квантовые системы, а как части единой системы. Польские физики показали, что такую нелокальность, возникающую из того простого факта, что все частицы одного типа неотличимы, можно наблюдать экспериментально практически для всех состояний идентичных частиц.
Все частицы одного типа — например, фотоны или электроны — связаны друг с другом, включая те, что находятся на Земле, и те, что в самых далёких галактиках. Это удивительное утверждение следует из фундаментального постулата квантовой механики: частицы одного типа по своей природе идентичны.
Ответы на эти вопросы дали два польских теоретика из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове и Института теоретической и прикладной информатики Польской академии наук (IITiS PAN) в Гливице. Их выводы, опубликованные в npj Quantum Information, показывают, как идентичность частиц приводит к наблюдаемой квантовой нелокальности.
Анализ фундаментальной запутанности идентичных частиц
Теоретики из IFJ PAN и IITiS PAN проанализировали фундаментальную запутанность идентичных частиц, опираясь на концепцию нелокальности Джона Белла. В то время как запутанность — это понятие, прочно укоренившееся в абстрактной структуре квантовой теории, локальность гораздо более интуитивна и универсальна. Она отражает идею о том, что события следуют цепочке причин и следствий, которые распространяются в пространстве с конечной скоростью — не быстрее света.
Когда такого объяснения не существует, мы вступаем в область нелокальных явлений. В этом и заключалась суть прорыва, совершённого североирландским физиком Джоном Стюартом Беллом, который указал на эксперимент, который невозможно объяснить в рамках локальной модели. Ключевым элементом этого эксперимента является квантовая запутанность между отдельными системами, над которыми исследователи — традиционно называемые Алисой и Бобом — могут выполнять произвольные и независимые измерения.
Квантовая нелокальность в электронах
Электричество питает нашу жизнь, включая наши автомобили, телефоны, компьютеры и многое другое, благодаря движению электронов в цепи. Однако существуют материалы, которые позволяют этому потоку электронов «застывать» в кристаллических формах, вызывая переход в состояние материи, которое они формируют коллективно.
Это превращает материал из проводника в изолятор, останавливая поток электронов и предоставляя уникальное окно в их сложное поведение. Это явление делает возможным появление новых технологий в квантовых вычислениях, передовой сверхпроводимости для энергетики и медицинской визуализации, освещения и высокоточных атомных часов.
Команда физиков из Университета штата Флорида, включая научного сотрудника Национальной лаборатории высокого магнитного поля Амана Кумара, доцента Хитеша Чанглани и доцента Циприана Левандовского, показала условия, необходимые для стабилизации фазы материи, в которой электроны существуют в твёрдой кристаллической решётке, но могут «расплавляться» в жидкое состояние, известное как обобщённый кристалл Вигнера. Их работа была опубликована в npj Quantum Materials.
При определённых плотностях электроны в двумерных системах, как ожидается, образуют кристаллы Вигнера, которые были впервые теоретически предсказаны в 1934 году. Эти кристаллы были идентифицированы в нескольких недавних экспериментах, но не было ясно, как возникают эти уникальные состояния с учётом дополнительных квантово-механических эффектов.
«В нашем исследовании мы определили, какие „квантовые ручки“ нужно повернуть, чтобы запустить этот фазовый переход и достичь обобщённого кристалла Вигнера, который использует двумерную систему и позволяет формировать различные кристаллические формы, такие как полосы или медовые кристаллы, в отличие от традиционных кристаллов Вигнера, которые показывают только треугольную кристаллическую решётку», — сказал Чанглани.
Команда использовала Исследовательский вычислительный центр Университета штата Флорида, академическую сервисную единицу информационных служб, и программу Национального научного фонда ACCESS, передовую вычислительную и ресурсную программу данных в рамках Управления передовой кибер-инфраструктуры, для проведения расчётов и запуска крупномасштабных симуляций с использованием численных методов, таких как точная диагонализация, группа перенормировки матрицы плотности и моделирование методом Монте-Карло.
В квантовой механике для каждого электрона есть две части квантовой информации. Когда дело касается сотен и тысяч электронов, объём информации становится огромным. Алгоритмы и численные методы, используемые командой, активно упрощают этот огромный объём информации до удобоваримых сетей, позволяя исследователям извлекать из него ценную информацию.
«Мы можем имитировать экспериментальные результаты благодаря нашему теоретическому пониманию состояния материи», — сказал Кумар. «Мы проводим точные теоретические расчёты, используя современные тензорные сетевые вычисления и точную диагонализацию, мощный численный метод, используемый в физике для сбора подробной информации о квантовом гамильтониане, который представляет собой общую квантовую энергию в системе. Благодаря этому мы можем представить картину того, как возникли кристаллические состояния и почему они предпочтительнее по сравнению с другими энергетически конкурентоспособными состояниями».
Команда также обнаружила новое состояние материи, в котором сосуществуют проводящие и изолирующие свойства из-за необычного поведения электронов. Они обнаружили, что обобщённый кристалл Вигнера может частично «расплавляться» — в то время как некоторые электроны оставались замороженными, другие электроны делокализовались и начали перемещаться по системе, подобно шару, летящему вокруг неподвижных штырей в пинболе.
«Эта пинбольная фаза — очень увлекательная фаза материи, которую мы наблюдали при исследовании обобщённого кристалла Вигнера», — сказал Левандовский. «Некоторые электроны хотят замёрзнуть, а другие — плавать, что означает, что одни являются изоляторами, а другие проводят электричество. Это первый раз, когда этот уникальный квантово-механический эффект был обнаружен и описан для плотности электронов, которую мы изучали в нашей работе».
Исследование даёт учёным более глубокое понимание того, как манипулировать состояниями материи. «Что заставляет что-то быть изолирующим, проводящим или магнитным? Можем ли мы превратить что-то в другое состояние?» — сказал Левандовский. «Мы стремимся предсказать, где существуют определённые фазы материи и как одно состояние может перейти в другое — когда вы думаете о превращении жидкости в газ, вы представляете, как поворачиваете ручку нагрева, чтобы заставить воду закипеть и превратиться в пар. Здесь оказывается, что есть другие квантовые ручки, с которыми мы можем играть, чтобы манипулировать состояниями материи, что может привести к впечатляющим достижениям в экспериментальных исследованиях».