ИИ обнаружил спаренные вигнеровские кристаллы в искусственном графене

Исследователи, использующие квантовое моделирование Монте-Карло на основе нейронных сетей, обнаружили новое состояние квантовой материи, известное как спаренный вигнеровский кристалл, в структуре искусственного графена. Это открытие показывает, что при определенной плотности электроны спонтанно образуют синглетно-подобные валентные связи, которые объединяются в молекулярный кристалл — явление, бросающее вызов существующим моделям электронного отталкивания. Используя искусственный интеллект для решения сложных многочастичных уравнений, исследование под руководством Yixiao Chen, Zhou-Quan Wan и Conor Smith предлагает новую основу для понимания того, как коллективное квантовое поведение возникает в муаровых сверхрешетках.

Что такое спаренный вигнеровский кристалл?

Спаренный вигнеровский кристалл — это экзотическое квантовое состояние, в котором электроны с противоположными спинами связываются в синглетно-подобные валентные связи в гексагональных муаровых минимумах, со временем образуя треугольную молекулярную решетку. Это состояние уникально тем, что оно восстанавливает локальную симметрию C6 внутри гексагональных молекул, возникая при низких факторах заполнения без необходимости во внешних удерживающих потенциалах или силах притяжения, которые обычно способствуют спариванию частиц.

Традиционные вигнеровские кристаллы образуются, когда электростатическое отталкивание между электронами становится настолько доминирующим, что частицы «замерзают» в жесткую кристаллическую решетку для минимизации энергии. Однако в этом недавно обнаруженном спаренном состоянии электроны не остаются изолированными. Вместо этого они проявляют коллективное поведение «спаривания», которое ранее считалось маловероятным в системах, где преобладают чисто отталкивающие кулоновские взаимодействия. Это спаривание создает «молекулярную» структуру, в которой электронная плотность распределена по нескольким узлам внутри муарового потенциала.

Открытие подтверждает, что эти молекулы из пар впоследствии выстраиваются в молекулярный вигнеровский кристалл. Этот переход происходит при специфическом факторе заполнения νm = 1/4, что означает наличие одного электрона на каждые четыре муаровых минимума. К ключевым характеристикам этого состояния относятся:

• Синглетно-подобные валентные связи: два электрона с противоположными спинами объединяются в пары, несмотря на взаимное отталкивание.
• Восстановление симметрии: образование этих пар восстанавливает гексагональную симметрию локальной среды решетки.
• Опустошенные минимумы: процесс кристаллизации оставляет примерно три четверти потенциальных ям муаровой решетки практически пустыми.

Что такое искусственный графен?

Искусственный графен относится к инженерным квантовым системам, таким как муаровые сверхрешетки, которые имитируют электронные свойства природного графена с помощью настраиваемого периодического потенциала. Эти системы создаются путем наложения слоев двумерных материалов с небольшим поворотом или несоответствием решеток, что позволяет ученым наблюдать экзотические квантовые состояния, к которым трудно получить доступ в кристаллах естественного происхождения.

В современной физике конденсированного состояния искусственный графен служит универсальной лабораторией для «проектирования» квантовой материи. В отличие от природного графена, где атомная структура фиксирована, свойства муаровых систем можно корректировать, изменяя угол поворота между слоями или прикладывая внешние электрические поля. Такая настраиваемость позволяет исследователям контролировать кинетическую энергию электронов по отношению к их энергии взаимодействия, что делает эту систему идеальной платформой для изучения физики сильно коррелированных систем.

В исследовании, проведенном Chen, Wan, and Smith, использовался сотовый муаровый потенциал для имитации гексагональной структуры графена. В этой среде двумерный электронный газ ведет себя вопреки классической интуиции. Моделируя эти условия, команда смогла пронаблюдать, как электроны перемещаются по «ландшафту» потенциальных ям, что привело к идентификации спаренного вигнеровского кристалла — состояния, которое могло бы остаться скрытым в менее гибких структурах материалов.

Нейронные сети и методология квантового Монте-Карло

Сложность моделирования квантовых многочастичных систем проистекает из уравнения Шрёдингера, которое становится экспоненциально трудным для решения по мере увеличения числа взаимодействующих частиц. Чтобы преодолеть это, исследовательская группа применила метод квантового Монте-Карло (QMC) на основе нейронных сетей. Этот метод использует искусственные нейронные сети в качестве «вариационного анзаца» — по сути, высокотехнологичной математической догадки — для представления многочастичной волновой функции электронов.

Традиционные методы QMC часто сталкиваются с «проблемой знака» в фермионных системах, что может привести к неточностям при расчете основных состояний электронов. Однако нейронные сети исключительно эффективны в выявлении закономерностей в многомерных данных, что позволяет симуляции «обучаться» наиболее стабильной энергетической конфигурации. Эта методология, управляемая ИИ, позволила исследователям искать неизвестные основные состояния, которые традиционные теоретические модели могли упустить из-за вовлеченных сильных взаимодействий.

Используя эти передовые вычислительные инструменты, ученые смогли смоделировать сотовый муаровый потенциал с высокой точностью. Нейронная сеть определила, что при факторе заполнения 1/4 система естественным образом снижает свою энергию, формируя спаренное молекулярное состояние. Это демонстрирует значительный сдвиг в вычислительной физике, где машинное обучение становится не просто инструментом для анализа данных, а основным двигателем научных открытий в квантовой механике.

Почему спаренный вигнеровский кристалл важен для квантовой материи?

Спаренный вигнеровский кристалл значим тем, что представляет собой ранее неизвестную фазу материи, которая возникает исключительно в результате коллективных электронных взаимодействий без внешней помощи. Это открытие расширяет известный каталог муаровых фаз и доказывает, что нейросетевые вычислительные методы могут выявлять сложные квантовые явления, ускользающие от стандартных теоретических предсказаний и экспериментальных наблюдений.

Значимость этого открытия заключается в «спонтанной» природе спаривания. Обычно для того, чтобы электроны объединились в пары (что является предпосылкой для таких явлений, как сверхпроводимость), должна существовать сила притяжения, например, колебания решетки (фононы). В изученной здесь модели искусственного графена такого взаимодействия притяжения нет. Спаривание является эмерджентным свойством сильно взаимодействующей квантовой многочастичной системы, что говорит о том, что наше понимание электронной корреляции все еще эволюционирует.

Кроме того, обнаружение молекулярного кристалла при факторе заполнения νm = 1/4 дает дорожную карту для будущего проектирования материалов. Понимание того, как формируются эти состояния, может привести к разработке материалов с «экзотическими» свойствами, такими как:

• Нотривиальные топологические изоляторы: материалы, которые проводят электричество на своей поверхности, но действуют как изоляторы в своем объеме.
• Спаренные суперсолиды (сверхтекучие твердые тела): гипотетические состояния материи, которые проявляют одновременно кристаллическую структуру и безтрениевое течение.
• Улучшенная сверхпроводимость: данные об электронном спаривании могут помочь в создании более высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

Будущие перспективы для квантовых материалов

Идентификация спаренного вигнеровского кристалла в искусственном графене знаменует собой веху в области физики конденсированного состояния. Она подтверждает возможность использования муаровых систем в качестве «квантового симулятора», способного имитировать физику высоких энергий в твердотельном устройстве. Для таких исследователей, как Yixiao Chen и его коллеги, это, вероятно, лишь начало более широкого изучения того, как электронная плотность и геометрия потенциала влияют на квантовую топологию.

В будущем ожидается ускорение интеграции ИИ и машинного обучения в процесс открытия квантовых материалов. По мере того как нейронные сети будут становиться все более искусными в моделировании сложных взаимодействий частиц, они позволят осуществлять «предварительное открытие» материалов в виртуальной среде еще до того, как они будут синтезированы в лаборатории. Это может радикально сократить время и затраты, связанные с разработкой компонентов для квантовых вычислений и высокоэффективных электронных устройств.

В конечном счете, это исследование предполагает, что «зоопарк» квантовых состояний гораздо обширнее, чем считалось ранее. Тот факт, что искусственный графен может содержать столь разнообразный спектр явлений — от изоляторов Мотта до этого нового спаренного вигнеровского кристалла — подтверждает, что мы вступаем в новую эру материаловедения, где мы можем манипулировать самой тканью квантового поведения для удовлетворения наших технологических потребностей.