Ефектът на пеперудата: Грешка в експеримент случайно разгръща квантови крила

Грешка в подреждането на графен води изследователите до откритие, което се случва веднъж в живота: квантовата пеперуда, предсказана преди почти 50 години.

В забележителен научен пробив изследователи от Принстънския университет наблюдават фрактален енергиен модел в квантови материали, който е бил предсказан само теоретично от близо 50 години.

Известен като пеперудата на Хофстадер (Hofstadter's butterfly), този сложен модел (патерн) се появява от поведението на електроните при определени условия.

Първоначално, през 1976 г., физикът Дъглас Хофстадър (Douglas Hofstadter) изказва предположение, че този модел никога не е бил наблюдаван директно в реален материал - досега.

Откритието е изненадващ резултат от изследвания, фокусирани върху свръхпроводимостта, където малка експериментална грешка отваря вратата към това дълго търсено наблюдение.

Изображение на пеперудата от Дъглас Хофстадер - Wikimedia Commons

Случаен успех

Откритието стана възможно благодарение на последните постижения в областта на материалознанието, благодарение на които учените успяват да подреждат и усукват изключително тънки слоеве от въглеродни атоми - известни като графен - в специфични структури.

Това усукване създава модели на моаре - вид интерферентен рисунък, подобен на припокриващите се тъкани.

Демонстрация на "моаре". Тази система е създадена чрез подреждане на свръхтънки графенови слоеве с прецизно ротационно усукване. Кредит Cockrell School Engineers

"Тези моаре кристали осигуряват идеална среда за наблюдение на спектъра на Хофстадер, когато подложим движещите се в тях електрони на магнитно поле. Тези материали са подробно изследвани, но досега самоподобността на енергийния спектър на тези електрони бе останала недостъпна", обяснява Али Яздани (Ali Yazdani), професор на университета "Джеймс С. Макдонъл" в Принстън.

Интересно е, че откритието е станало случайно.

Изследователският екип, ръководен от Яздани, първоначално е изучавал свръхпроводимостта в усукан двуслоен графен.

"Нашето откритие беше по същество случайност", признава Андрю Нуколс (Andrew Nuckolls), един от изследователите. "Не сме си поставяли за цел да открием това."

Дилън Уонг (Dillon Wong), постдокторант и съавтор на статията, уточнява:

"Целта ни бе да изследваме свръхпроводимостта, но не успяхме да уцелим магическия ъгъл, когато правехме тези проби."

Тази грешка води до по-дълга периодичност на моарето от планираното - но точно подходящите условия за наблюдение на фракталния спектър.

Поглед отблизо със сканиращ тунелен микроскоп 

Екипът използва сканиращ тунелен микроскоп, за да покаже разположението "моаре" на отделните атоми и да изследва енергийните нива на електроните им.

Микроскопът работи, като довежда остър метален връх на по-малко от нанометър от повърхността, за да позволи квантово "тунелиране" на електрони от върха към пробата. 

Сканиращ тунелен микроскоп

Сканиращият тунелен микроскоп (STM) е изобретен през 1981 г. от учените на IBM Герд Биниг (Gerd Binnig) и Хенрих Рорер (Heinrich Rohrer).

Илюстрация: wikimediaСхема на принципа на действие на сканиращия тунелен микроскоп

Той служи за определяне на морфологията и плътността на електропроводими или полупроводящи повърхности с пространствена разделителна способност, която може да бъде по-малка или равна на размера на атома. Действието на този инструмент се основава на връзката между квантовото тунелиране и разстоянието.

По време на сканирането, иглата на микроскопа се движи над повърхността на пробата, тунелният ток се поддържа стабилен за сметка на действието на обратната връзка и показанията на следящата система се изменят в зависимост от релефа на повърхността. Тези промени се фиксират и на основата им се построява карта на височините. Има друг метод, който предполага движение на иглата на фиксирана височина над повърхността на образеца. В този случай се фиксира изменението на величината на тунелния ток и на основа дадената информация става изграждането на топографията на повърхността. Сканиращият тунелен микроскоп работи с точност до 0,001 нанометра или около 1% от атомния диаметър.

Клип, илюстриращ понятието за тунелиране и как то се прилага в сканиращия тунелен микроскоп (STM). Публикувано от Jan Jensen, Университет в Копенхаген

Когато са използвали STM за изследване на тяхната проба, полученото поведение на електрони е показало модел, който изследователите разпознават, първоначално не като пеперуда на Хофстадер, а като уникален. Скоро обаче, докато са анализирали модела по-подробно, екипът забелязва необичайното поведение на електроните.

Еволюция на полевата зависимост на STM спектрите с плътността. Кредит: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08550-2

"STM е директна енергийна сонда, която ни помага да се върнем към първоначалните изчисления на Хофстадър, които са били изчисления на енергийните нива", коментира Мюнгчул О (Myungchul Oh), постдокторант и съавтор.

Измерванията на електрическото съпротивление в предишни изследвания са подсказвали за модела на пеперудата, но STM позволява директна визуализация.

"Понякога природата е благосклонна към нас", коментира Нъкълс. "Понякога природата ни дава необикновени неща за разглеждане, ако спрем да я наблюдаваме."

Изследване на квантовите взаимодействия

Работата на екипа хвърля светлина и върху начина, по който електроните взаимодействат помежду си в тези сложни материали.

Въпреки че първоначалните изчисления на Хофстадър не отчитат електронните взаимодействия, този експеримент показва, че включването на тези ефекти прави моделите по-точни.

"Режимът на Хофщадтер е богат и динамичен спектър от топологични състояния и мисля, че възможността да се изобразяват тези състояния може да бъде много мощен начин за разбиране на техните квантови свойства", казва Майкъл Шер (Michael Scheer), докторант и съавтор.

Въпреки че непосредствените приложения са неясни, това случайно откритие открива интересни нови възможности за разбиране на квантовите материали.

Справка: "Spectroscopy of the fractal Hofstadter energy spectrum,” by Kevin P. Nuckolls, Michael G. Scheer, Dillon Wong, Myungchul Oh, Ryan L. Lee, Jonah Herzog-Arbeitman, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Biao Lian and Ali Yazdani, was published on February 26, 2025 in the journal Nature DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08550-2

Източник: 

The butterfly effect a misaligned experiment accidentally unfolds quantum wings, Interesting Engineering

Quantum fractal patterns visualized, Princeton University

Още по темата

05/02/2025

Космос

Двуслоен графен моаре, усукан в мьобиусова лента, се държи като свръхпроводник по ръбовете си

03/10/2023

Физика

Физици постигат свръхпроводимост и още нещо от квазикристали

13/11/2020

Физика

Изграден е кристал само от електрони