ელექტროობა წარმოადგენს ელექტრონების მოძრაობას. ზოგიერთ მასალაში ეს მუდმივი ნაკადი შეიძლება მოულოდნელად შეჩერდეს და ორგანიზებულ კრისტალურ სტრუქტურებში დაფიქსირდეს. ასეთ შემთხვევაში, მასალის მდგომარეობა იცვლება და ის წყვეტს ელექტროენერგიის გატარებას. იმის ნაცვლად, რომ ლითონივით მოიქცეს, ის იზოლატორივით იქცევა. ეს უჩვეულო ქცევა მეცნიერებს აძლევს ღირებულ ინფორმაციას იმის შესახებ, თუ როგორ ურთიერთქმედებენ ელექტრონები და გზა გაუხსნა მიღწევებს კვანტური გამოთვლების, ენერგეტიკაში და სამედიცინო ვიზუალიზაციაში გამოყენებული მაღალეფექტური ზეგამტარების, ინოვაციური განათების სისტემების და უკიდურესად ზუსტი ატომური საათების სფეროებში.
ფლორიდის შტატის უნივერსიტეტის ფიზიკოსთა ჯგუფმა, რომლის შემადგენლობაშიც შედიან მაღალი მაგნიტური ველების ეროვნული ლაბორატორიის პოსტდოქტორანტი დირაკ ამან კუმარი, ასოცირებული პროფესორი ჰიტეშ ჩანგლანი და ასოცირებული პროფესორი სიპრიან ლევანდოვსკი, დაადგინა კონკრეტული პირობები, რომლებშიც წარმოიქმნება ელექტრონული კრისტალის განსაკუთრებული სახეობა. ამ მდგომარეობაში ელექტრონები განლაგებულია მყარ გისოსში, მაგრამ ამავდროულად შეუძლიათ გადავიდნენ უფრო თხევად ფორმაში. ამ ჰიბრიდულ ფაზას ეწოდება განზოგადებული ვიგნერის კრისტალი, ხოლო გუნდის კვლევის შედეგები გამოქვეყნებულია ჟურნალ npj Quantum Materials-ში.
მეცნიერებმა დიდი ხანია იციან, რომ ელექტრონები თხელ ორგანზომილებიან მასალებში შეიძლება „გამაგრდნენ“ და წარმოქმნან ვიგნერის კრისტალები — თეორიულად ეს მდგომარეობა ჯერ კიდევ 1934 წელს იყო ნაწინასწარმეტყველები. ბოლო წლებში ჩატარებული ექსპერიმენტების დროს ეს სტრუქტურები აღმოჩენილ იქნა, მაგრამ მკვლევრებს ბოლომდე არ ესმოდათ, როგორ წარმოიქმნება ისინი დამატებითი კვანტური ეფექტების გათვალისწინებით.
ამ პირობების შესასწავლად, გუნდმა გამოიყენა ფლორიდის სახელმწიფო უნივერსიტეტის კვლევითი გამოთვლითი ცენტრის (ინფორმაციული ტექნოლოგიების სამსახურის აკადემიური ქვედანაყოფი) მოწინავე გამოთვლითი ინსტრუმენტები, ასევე ეროვნული სამეცნიერო ფონდის ACCESS პროგრამა (მოწინავე გამოთვლითი და საინფორმაციო რესურსი მოწინავე კიბერინფრასტრუქტურის სამმართველოსთან). მათ გამოიყენეს ისეთი მეთოდები, როგორიცაა ზუსტი დიაგონალიზაცია, მატრიცის სიმკვრივის რენორმჯგუფი და მონტე-კარლოს სიმულაციები, რათა შეემოწმებინათ, როგორ იქცევიან ელექტრონები სხვადასხვა სცენარში.
კვანტური მექანიკა თითოეულ ელექტრონს ორ ერთეულ ინფორმაციას ანიჭებს, და როდესაც ასობით ან ათასობით ელექტრონი ურთიერთქმედებს ერთმანეთთან, მონაცემთა საერთო მოცულობა უკიდურესად დიდი ხდება. მკვლევრებმა გამოიყენეს რთული ალგორითმები ამ უზარმაზარი ინფორმაციის შეკუმშვისა და ქსელებში ორგანიზებისთვის, რომელთა შესწავლა და ინტერპრეტაცია შესაძლებელი იქნებოდა.
განზოგადებული ვიგნერის კრისტალის შესწავლისას, გუნდმა აღმოაჩინა ნივთიერების კიდევ ერთი საოცარი მდგომარეობა. ამ ახლად იდენტიფიცირებულ ფაზაში ელექტრონები ერთდროულად ავლენენ საიზოლაციო და გამტარ ქცევას. ზოგიერთი ელექტრონი რჩება დაფიქსირებული კრისტალურ გისოსში, ზოგი კი თავისუფლდება და მოძრაობს მთელ მასალაში. მათი მოძრაობა წააგავს „პინბოლის“ სათამაშო ავტომატს, სადაც ბურთი ხტუნავს უძრავ სადგამებს შორის.
ამ „კვანტური სახელურების“, ანუ ენერგეტიკული სკალების რეგულირებით, მკვლევრებს შეუძლიათ ელექტრონები მყარი ფაზიდან თხევადში გადაიყვანონ. ვიგნერის კრისტალებისა და მათთან დაკავშირებული მდგომარეობების გაგებამ შეიძლება განსაზღვროს კვანტური ტექნოლოგიების მომავალი, მათ შორის კვანტური გამოთვლებისა და სპინტრონიკის — კონდენსირებული მდგომარეობის ფიზიკის სწრაფად განვითარებადი სფეროს, რომელიც გვპირდება უფრო სწრაფ და ეფექტურ ნანოელექტრონულ მოწყობილობებს, შემცირებული ენერგომოხმარებითა და საწარმოო ხარჯებით.
