A kvantum- és nanotechnológia területén jelent lényeges előrelépést az a felfedezés, amelyet az MTA-BME Lendület Egzotikus Kvantumfázisok Kutatócsoport és az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontjának erősen korrelált rendszerekkel foglalkozó kutatói az izraeli Weizmann Intézet csapatával közösen publikáltak a Science folyóiratban, Wigner Jenő közel 85 éve tett jóslatát igazolva. Eszerint az elektronok képesek szabályos kvantumkristályt alkotni, ha a közöttük lévő Coulomb-kölcsönhatás elegendően erős. A kutatóknak ezt az úgynevezett Wigner-kristályt sikerült megfigyelniük egy szén nanocsőben kísérletek és részletes numerikus szimulációk ötvözésével.

Híg elektrongázokban megnő a Coulomb-kölcsönhatás szerepe, az elektronoknak hatalmas energiába kerül ugyanis, ha két részecske egy helyen tartózkodik.

Wigner Jenő erre felfigyelve azt jósolta, hogy ezt elkerülendő az elektronok abszolút 0 fokos hőmérsékleten kristályba rendeződnek.

Habár az elmúlt majd egy évszázadban óriási verseny folyt annak érdekében, hogy nagy tisztaságú anyagokban vagy azok felületén megvalósítható legyen az anyag e törékeny kvantummechanikai állapota, mind ez idáig csak a magas hőmérsékleten kialakuló ún. klasszikus Wigner-kristály létezését tudták meggyőzően kísérletileg bizonyítani – emlékeztet közleményében az MTA. Az intézmény szerint a mostani felfedezés az első, ahol közvetlenül sikerült megfigyelni az alacsony hőmérsékleten kialakuló kvantumkristály töltésmintázatát.

A felfedezés egy új kísérleti módszeren alapul: a kialakuló kristály rendkívül „törékeny”, ezért az izraeli kutatók egyetlen elektron töltését használták „puha” érzékelőként, és azzal tapogatták le a nanocsőben kialakuló kristály térbeli szerkezetét.

A kísérleti mérésben (bal panel) és a DMRG numerikus szimulációban (jobb panel) megjelenő öt csúcs az első öt elektron kvantumkristálybeli helyét mutatja.

Shapir et al., Science 364, 870 (2019)

Annak eldöntése, hogy a kialakult kvantummechanikai állapot milyen kölcsönhatások eredményeként jött létre, elméleti számítások és numerikus szimulációk elvégzését igényelte. Ezeket a kísérleti eredmények értelmezéséhez szükséges kvantumelméleti számításokat a BME és az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatói végezték, a legmodernebb kvantumkémiai módszereket alkalmazva a szén nanocső leírására. „Az elvégzett ún. DMRG-számítások már önmagukban is nagy áttörést jelentenek a területen. Számos olyan új algoritmikus megoldást fejlesztettünk ki, mely nélkül a számításokat nem lehetett volna elvégezni” – mondta Legeza Örs, az MTA-kutatócsoport vezetője.

Az elméleti számítások révén meghatározott elektron-kristályszerkezet struktúrája nem várt pontossággal mutatott egyezést a mérési eredményekkel, ezzel igazolva, hogy az új kvantumos fázis valóban a Wigner Jenő által megjósolt kvantumkristály.

Ha máskor is tudni szeretne hasonló dolgokról, lájkolja a HVG Tech rovatának tudományos eredményeket is bemutató Facebook-oldalát.