Alexeï Kolmogorov a découvert grâce à des simulations informatiques un mécanisme fondamental par lequel un cristal électronique se transforme en liquide lorsque la température augmente. Les électrons peuvent se cristalliser si leur énergie cinétique (énergie liée au mouvement) à basse température devient considérablement inférieure à leur énergie potentielle d'interaction, ce qui peut former une structure solide bien ordonnée. La fusion se produit à mesure que la température augmente et que l’énergie cinétique des électrons dépasse l’énergie de liaison qui maintient la structure ensemble.
La fusion des cristaux atomiques a été étudiée de manière approfondie pendant plus de cent ans, à la fois par la physique théorique et par des expériences physiques. En revanche, la recherche en physique des systèmes électroniques a longtemps ignoré la cristallisation électronique :les scientifiques pensaient qu'il s'agissait d'une pure théorie académique impossible à mettre en œuvre dans des dispositifs réalistes en raison des très petites échelles caractéristiques de tels phénomènes. En particulier, un gaz d'électrons confiné à basse température dans des systèmes nanoélectroniques semi-conducteurs tels que les points quantiques peut former des cristaux d'électrons réguliers s'il interagit suffisamment avec lui-même en vertu de la loi électrostatique de Coulomb. Ce n'est que lorsque les chercheurs dirigés par le professeur de physique Andrei Manolescu de l'UT Arlington ont observé et visualisé la formation de cristaux électroniques dans des gouttelettes quantiques, qui sont des objets à l'échelle nanométrique dans des semi-conducteurs à basse température, que l'intérêt de la recherche s'est tourné vers la physique fondamentale de la façon dont les électrons se solidifient. analogue aux atomes réguliers formant des cristaux de diamant ou de silicium qui peuvent résister à des températures élevées, se comportent sous l'effet de la chaleur.
Kolmogorov, professeur agrégé au département de physique de l'UTA, a dirigé des simulations informatiques approfondies de la fusion de ces nanocristaux en développant des méthodologies de simulation avancées combinant des simulations quantiques avec des méthodes de dynamique moléculaire décrivant les mouvements de nombreuses particules classiques en interaction de différentes échelles physiques. De tels calculs hybrides quantiques-classiques ont été mis en œuvre sur des superordinateurs parallèles en utilisant des techniques de pointe de calcul haute performance. Ils ont révélé des scénarios de fusion remarquables, propres aux cristaux électroniques quantiques, en raison de forts effets mécaniques quantiques à l’échelle nanométrique. Pour la première fois, Kolmogorov a déterminé qu'au lieu de se transformer d'un arrangement cristallin tridimensionnel conventionnel d'atomes électroniques directement en un liquide électronique chaotique homogène lorsque le cristal était chauffé, ils subissent à la place des réarrangements intermédiaires en ordres inhabituels, partiellement amorphes et quasi- phases cristallines avec des caractéristiques coexistantes de type solide et liquide, avant de fondre pour devenir un liquide complet lorsque la température augmente encore plus.
