Физики разгадали многолетнюю загадку о поведении электронов

Физики разгадали многолетнюю загадку о поведении электронов

В 1979 году американский физик Дуглас Хофштадтер (Douglas Hofstadter) написал статью об энергетических уровнях электронов в магнитном поле. В рамках своего исследования он также рассказал о некой теоретической фрактальной структуре, напоминающей по форме бабочку.

Фактически, это график, описывающий колебания потенциальной энергии электронов в двухмерной квадратной решётке. Структура получила название по имени своего первооткрывателя — бабочка Хофштадтера.

Чтобы обнаружить ранее невиданное явление, учёные создавали самые разные ловушки: одни группы физиков искали бабочку в гексагональных кристаллических решётках атомов, другие − в ловушках атомных лазеров.

"Концепция, описанная Хофштадтером, не даёт покоя учёным уже сорок лет. Но теперь мы знаем, что его идеи не столь безумны, какими казались несколько десятилетий назад", — говорит физик-экспериментатор Кори Дин (Cory Dean) из Сити-колледжа Нью-Йорка, где, к слову, учился отец Дугласа известный физик Роберт Хофштадтер.

Свою "бабочку" Хофштадтер-младший нарисовал, будучи ещё аспирантом. К тому времени уже было хорошо известно, что под действием магнитного поля свободные электроны двигаются по окружности. Но в теории, как понял молодой физик, если электроны "запереть" внутри кристаллической атомной решётки, траектория их движения будет намного сложнее.

Если же усилить магнитное поле, то энергетические уровни, определяющие движение электронов, будут расщепляться снова и снова. Если изобразить это явление в виде графика, то он будет очень похож на бабочку с крыльями. Причём таким он остаётся, даже если попытаться "углубиться" в структуру до совсем небольших величин.

Проверить эту идею экспериментально оказалось довольно сложно. Величина необходимого магнитного поля зависит, прежде всего, от расстояния между атомами в кристаллической решётке. В обычных материалах, где атомы удалены друг от друга на одну миллиардную долю метра, описанная фрактальная структура проявится только при воздействии поля с магнитной индукцией 10 тысяч тесла. Однако на сегодняшний день люди смогли достичь рекордной отметки лишь в 100 Тл, да и то лишь на секунду.

Поэтому учёные задумались о том, как можно было бы увеличить расстояния между атомами в решётке. Позднее они пришли к выводу, что можно создавать материалы послойно. В мае 2013 года группа физиков из Массачусетского технологического института (MIT) сообщила о том, что им удалось построить двухслойную структуру из листа графена толщиной в один атом и листа нитрида бора. Атомы в обоих листах организованы в гексагональную решётку (в виде медовых сот), как и требовалось для получения бабочки Хофштадтера.

После включения магнитного поля физики измерили дискретные изменения в проводимости составного материала (обусловлены расщеплением энергетических уровней). Прямого наблюдения теоретически описанного поведения электронов не было, однако нечто похожее на фрактальную структуру исследователям всё же удалось обнаружить.

Сегодня к охоте на "бабочку" подключился лауреат Нобелевской премии Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle), который также работает в Массачусетском технологическом институте. Он предложил другую методику: заставить атомы вести себя как электроны. Он и его коллеги использовали более современный метод – заменили атомный лазер на конденсат Бозе-Эйнштейна.

Поясним. Команда Кеттерле охладила атомы рубидия до одной миллиардной градуса выше абсолютного нуля и заключила их в ловушки из лазерных лучей, которые по свойствам напоминали коробку для яиц (атом может попасть только в созданное "углубление").

Под воздействием дополнительной пары перекрещенных лазеров атомы из-за туннельного эффекта перемещались из одной ячейки в другую. Чтобы сымитировать круговые движения электронов под действием магнитного поля, физики наклонили решётку и позволили гравитации провести атомы по похожей траектории. Можно сказать, они заменили магнитное поле гравитацией, и никакой магнит не понадобился вовсе.

За перемещениями отдельных атомов проследить было несложно, однако они должны были "танцевать" таким образом, как если бы они были электронами, двигающимися под действием мощнейшего магнита.

"Охлаждённые атомы позволяют сымитировать такую ситуацию. Однако, к нашему сожалению, лазеры могут нагреть частицы, из-за чего контролировать колебания их энергий будет уже не так просто", — сообщают авторы исследования, чья статья недавно появилась на сайте препринтов arXiv.org.

Как следствие, сложно выявить фрактальный график "бабочку". Но, если решить эту проблему, то это станет отправной точкой в изучении квантовых явлений, происходящих в твёрдых телах. Например, в материалах, проводящих ток на поверхности, но являющихся диэлектриками (непроводящими) в глубинных слоях. А это открывает двери в мир электронных устройств будущего.

Источник: vesti.ru

Похожие новости:
Китайцы разгадали загадку шаровой молнии
Использование спектрографа для определения состава светящейся сферы позволило полностью объяснить это удивительное природное явление.Легенды о шаровых молниях уходят в глубь веков, но сам этот феномен до сих пор плохо изучен, − ведь светящиеся шары непредсказуемы; внезапно материализовавшись в воздухе они через ..
2014-06-04 4589 0 Научные открытия
0
Доказано существование новой формы материи
Международная группа исследователей доказала существование новой формы материи — экситония. Он является конденсатом экситонов — связанных друг с другом электронов и «дырок». Впервые это состояние вещества было предсказано почти 50 лет назад. Статья ученых опубликована в журнале Science. Об этом ..
2017-12-11 14438 0 Научные открытия
0
Возбуждение электронов записали на видео
Инженеры из Массачусетского технологического университета записали на видео возбуждение электронов, происходящее на поверхности топологических изоляторов. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters, кратко ее содержание можно прочитать на сайте университета. Записать динамику электронного феномена, который длится не более 5 пикосекунд (10-12секунд) ..
2012-09-19 2193 0 Научные открытия
0
Сверхбыстрый лазер помог изменить свойства твердых материалов
Ученые из США, Южной Кореи и Японии использовали сверхбыстрый (фемтосекундный) лазер для оперативного отслеживания изменений собственной энергии электронов и их взаимодействий в сверхпроводнике. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Nature Communications, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте ..
2014-10-07 2291 0 Научные открытия
0
Физики впервые увидели танцы электронов в молекуле
Впервые учёным удалось сфотографировать "танцы электронов" внутри молекулы. Разглядеть "объекты" на микроуровне исследователям помогла комбинация нескольких методов съёмки, пишет BBC News. Революционный прорыв совершили специалисты швейцарского исследовательского подразделения IBM (IBM Research Zurich), которые ранее ..
2012-02-27 3723 0 Научные открытия
0
Загадочному физическому явлению нашли объяснение
Физики из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC выяснили механизм работы аномального сверхпроводника титаната стронция, который способен проводить электричество без сопротивления несмотря на то, что не является металлом. Об этом сообщает издание Science Alert.Титанат стронция — это оксид, однако ..
2018-03-27 15800 0 Научные открытия
4
Петаваттный лазер превратил золото в «фонтан» антиматерии
Физики из университетов Райса и Техаса обнаружили, что при воздействии сверхмощных лазеров на металлические мишени образуются потоки частиц, в которых позитроны (антиэлектроны, положительно заряженные частицы) занимают весомую долю. По словам авторов, это может оказаться важным результатом в попытке создать ..
2016-01-15 2737 0 Научные открытия
0
В атмосфере нашли источник антиматерии
Японские ученые обнаружили, что разряды молнии в атмосфере Земли приводят к рождению позитронов — античастиц электронов. Исследование опубликовано в журнале Nature, сообщается в пресс-релизе Киотского университета, размещенном на сайте EurekAlert!.В ходе наблюдений ученые обнаружили три различных типа гамма-всплесков, ..
2017-11-23 13512 0 Научные открытия
1
Ученые создали эффективные солнечные батареи
Ученые из Государственного университета Северной Каролины и Китайской академии наук нашли простой способ изменить молекулярную структуру полимера обычно используемую в солнечных элементах. Такое несложное изменение может повысить эффективность солнечных батарей более чем на 30 процентов. Полимер на основе ..
2014-01-06 3220 1 Научные открытия
3
Ученые IBM научились управлять спином электронов
Ученые из из IBM Research и Лаборатории физики твердого тела в ETH Zurich продемонстрировали новую технологию, с помощью которой можно управлять спином, направлением вращения электрона, и заставить перемещаться электроны, соблюдая строгий установленный порядок. При этом, время фиксации спина электронов ..
2012-08-21 2339 0 Научные открытия
1
Физики проконтролировали движение электронов с точностью до трех аттосекунд
Группа исследователей при участии российских физиков сумела провести эксперимент, в котором им впервые в мире удалось контролировать сверхбыстрые движения электронов с точностью до трех аттосекунд. Эксперимент проводился на лазере на свободных электронах FERMI, установленном в международном исследовательском центре «Elettra ..
2016-02-23 2401 0 Научные открытия
-1
Ученые изучили биологические нанопровода
По данным исследования, информация о котором опубликована в «mBio», онлайн журнале открытого доступа Американского общества микробиологии, во вторник, 12 марта, тонкие бактериальные нанопровода становятся проводящими при наличии определенных аминокислот. Встречающиеся в природе бактерии Geobacter sulfurreducens используют эти нанопровода, называемые ..
2013-03-12 1873 0 Научные открытия
0
Физики впервые измерили слабый заряд протона
Физики впервые провели экспериментальное измерение слабого заряда протона. Статья ученых принята к публикации в журнале Physical Review Letters, а ее краткое изложение приводится в пресс-релизе Лаборатории Джефферсона (Jefferson Lab), где и было сделано открытие. Слабое взаимодействие - одно из четырех ..
2013-09-18 2798 0 Научные открытия
0
Обнаружена загадочная форма вещества
Физики Университета штата Мэриленд обнаружили экзотический сверхпроводник YPtBi, внутри которого электроны, взаимодействуя друг с другом, образуют квазичастицы с высоким спином. Об этом сообщается в журнале Science Advances.Ученые проанализировали электронную структуру материала, изготовленного из иттрия, платины ..
2018-04-10 15674 0 Научные открытия
1
Туннелирующие электроны показали зонную структуру глубоких слоев
Американские физики разработали новый метод визуализации зонной структуры двумерных слоев, находящихся довольно далеко от поверхности материала. Опубликованная в Science работа рассказывает о подходе, основанном на совмещении сканирующей туннельной микроскопии и фотоэлектронной спектроскопии. С помощью предложенного метода можно ..
2017-11-21 11340 0 Научные открытия
0