Een natuurkundige van de Universiteit van Texas in Arlington heeft ontdekt hoe kristallen gemaakt van elektronen smelten als ze worden blootgesteld aan hitte, een bevinding die de weg zou kunnen vrijmaken voor efficiëntere elektronische apparaten.

Aleksej Kolmogorov ontdekte door middel van computersimulaties een fundamenteel mechanisme waarmee een elektronenkristal in een vloeistof verandert als de temperatuur stijgt. Elektronen kunnen kristalliseren als hun kinetische energie (energie gerelateerd aan beweging) bij lage temperatuur aanzienlijk kleiner wordt dan hun potentiële interactie-energie, wat een goed geordende vaste structuur kan vormen. Het smelten vindt plaats naarmate de temperatuur stijgt en de kinetische energie van elektronen groter is dan de bindingsenergie die de structuur bij elkaar houdt.

Het smelten van atoomkristallen werd gedurende meer dan honderd jaar uitgebreid bestudeerd door middel van zowel theoretische natuurkunde als natuurkundige experimenten. Daarentegen heeft onderzoek in de fysica van elektronische systemen elektronische kristallisatie lange tijd genegeerd:wetenschappers geloofden dat het een pure academische theorie is die onmogelijk in realistische apparaten kan worden gerealiseerd vanwege de zeer kleine karakteristieke schaal van dergelijke verschijnselen. In het bijzonder kan een elektronengas dat bij lage temperaturen wordt opgesloten in halfgeleider nano-elektronische systemen zoals kwantumdots, reguliere elektronenkristallen vormen als het voldoende met zichzelf interageert op grond van de wet van de elektrostatica van Coulomb. Pas toen onderzoekers onder leiding van natuurkundeprofessor Andrei Manolescu van de UT Arlington de vorming van elektronische kristallen in kwantumdruppels, objecten op nanoschaal in halfgeleiders bij lage temperaturen, observeerden en visualiseerden, richtte de onderzoeksinteresse zich op het aanpakken van de fundamentele fysica van hoe vaste elektronen, analoog aan gewone atomen die diamant- of siliciumkristallen vormen die bestand zijn tegen hoge temperaturen en zich gedragen onder verwarming.

Kolmogorov, universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde van UTA, leidde uitgebreide computationele simulaties van het smelten van deze nanokristallen door geavanceerde simulatiemethodologieën te ontwikkelen die kwantumsimulaties combineerden met moleculaire dynamische methoden die bewegingen beschrijven van veel op elkaar inwerkende klassieke deeltjes van verschillende fysieke schalen. Dergelijke hybride kwantum-klassieke berekeningen werden geïmplementeerd op parallelle supercomputers met behulp van geavanceerde technieken van high-performance computing. Ze onthulden opmerkelijke smeltscenario’s die uniek zijn voor kwantumelektronische kristallen als gevolg van sterke kwantummechanische effecten op nanoschaal. Voor de eerste keer stelde Kolmogorov vast dat in plaats van te transformeren van een conventionele driedimensionale kristallijne rangschikking van elektronische ‘atomen’ direct in een homogene chaotische elektronische vloeistof terwijl het kristal werd verwarmd, ze in plaats daarvan tussentijdse herschikkingen ondergaan in ongebruikelijk geordende, gedeeltelijk amorfe en quasi- kristallijne fasen met naast elkaar bestaande vaste en vloeistofachtige kenmerken, voordat ze smelten tot een volledige vloeistof wanneer de temperatuur nog hoger wordt.