Fysiker identificerer, hvordan elektronkrystaller smelter

En fysiker fra University of Texas i Arlington har fundet ud af, hvordan krystaller lavet af elektroner smelter, når de udsættes for varme, et fund, der kan bane vejen for mere effektive elektroniske enheder.

Aleksey Kolmogorov opdagede gennem beregningssimuleringer en grundlæggende mekanisme, hvorved en elektronkrystal forvandles til en væske, når temperaturen stiger. Elektroner kan krystallisere, hvis deres kinetiske energi - energi relateret til bevægelse - ved lav temperatur bliver betydeligt mindre end deres potentielle interaktionsenergi, som kan danne en velordnet fast struktur. Smeltning sker, når temperaturen vokser, og elektronernes kinetiske energi overstiger den bindingsenergi, der holder strukturen sammen.

Smeltning af atomære krystaller var blevet grundigt undersøgt over mere end hundrede år gennem både teoretisk fysik og fysiske eksperimenter. I modsætning hertil havde forskning i elektroniske systemers fysik længe set bort fra elektronisk krystallisering:Forskere mente, at det er en ren akademisk teori, der er umulig at realisere i realistiske enheder på grund af meget små karakteristiske skalaer af sådanne fænomener. Især kan en elektrongas, der er indespærret ved lave temperaturer i nanoelektroniske halvledersystemer, såsom kvanteprikker, danne regulære elektronkrystaller, hvis den interagerer tilstrækkeligt med sig selv i kraft af Coulombs lov om elektrostatik. Det var først, før forskere ledet af UT Arlington fysikprofessor Andrei Manolescu observerede og visualiserede dannelsen af ​​elektroniske krystaller i kvantedråber, som er objekter i nanoskala i halvledere ved lave temperaturer, at forskningsinteressen vendte sig mod at adressere grundlæggende fysik om, hvordan elektronfaste stoffer, analogt med almindelige atomer, der danner diamant- eller siliciumkrystaller, der kan modstå høje temperaturer, opfører sig under opvarmning.

Kolmogorov, lektor i UTA Fysik Afdeling, ledede omfattende beregningssimuleringer af smeltning af disse nanokrystaller ved at udvikle avancerede simuleringsmetoder, der kombinerede kvantesimuleringer med molekylær dynamik metoder, der beskriver bevægelser af mange interagerende klassiske partikler af forskellige fysiske skalaer. Sådanne hybride kvante-klassiske beregninger blev implementeret på parallelle supercomputere ved hjælp af banebrydende teknikker til højtydende databehandling. De afslørede bemærkelsesværdige smeltningsscenarier, der er unikke for kvanteelektroniske krystaller på grund af stærke kvantemekaniske effekter på nanoskala. For første gang fastslog Kolmogorov, at i stedet for at transformere fra et konventionelt tredimensionelt krystallinsk arrangement af elektroniske "atomer" direkte til en homogen kaotisk elektronisk væske, mens krystallen blev opvarmet, gennemgår de i stedet mellemliggende omlejringer til usædvanlige ordnede delvist amorfe og kvasi- krystallinske faser med sameksisterende faststof- og væskelignende træk, før de undergår smeltning til en fuld væske, når temperaturen bliver endnu højere.