Téměř před 50 lety, počítačový vědec Douglas Hofstadter předpověděl, že motýl by rozšířil křídla v kvantovém světě. Za správných podmínek by malé elektrony v kvantovém systému mohly produkovat energetické spektrum složené z fraktálů, složité samoobslužné struktury, které by „tvořily velmi nápadný vzorec poněkud připomínající motýl,“ napsal v Sminální papír z roku 1976.
Mnoho fyziků se pokusilo vytvořit „Hofstadterův motýl“ v různých formátech s různým stupněm úspěchu; The První taková spektra se objevila asi před 25 lety. Obtížnost při pozorování účinku byla částečně proto, že Hofstadterova počáteční předpověď předpokládala, že by vyžadovala kolosální magnetická pole mimo dosah jakékoli laboratoře. Většina experimentálních úsilí se následně snažila svolat motýla v silikoru, v mezích počítačových simulací a ty, které se spoléhají na fyzické kvantové systémy, studovaly jeho vlastnosti pomocí převážně nepřímé měření.
Nyní však může být První přímé, reálné pozorování motýla se vynořil z komplexního kvantového tance elektronů vložených mezi dvě mikroskopické vrstvy grafenu. Výsledky, zveřejněné nedávno v Příroda, jsou o to pozoruhodnější, protože byli neočekávaní – zúčastnění vědci se ani nepokoušeli vylíhnout Hofstadterův motýl z jeho kvantové chrysalis.
O podpoře vědecké žurnalistiky
Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.
„Myslím, že to byla šťastná nehoda,“ říká spoluautor studie Kevin Nuckollsfyzik na Massachusetts Institute of Technology. „Myslím, že to je běžné pro experimenty fyziky (ve kterých) vidíte něco divného. Strávíte na to pár hodin a rozhodnete se – jako:“ Dám to ještě pár dní. „“
V době jejich experimentu byli Nuckolls a jeho spoluautoři součástí stejné laboratoře Princetonské univerzity a studovali, jak supravodivost-tok elektřiny bez odporu-manifesty v grafenu, dvourozměrné krystalu tvořené jedinou vrstvou atomů uhlíku uspořádané hexagonálním vzorem. Když jsou dva listy grafenu naskládány na druhém na druhém, s mírným rotačním posunem asi 1,1 stupně, aby se šestiúhelníky přesně nepřekrývaly, tzv. magický úhel je vytvořena konfigurace. Když jsou podrobeny magnetickému poli, elektrony v každém listu zipu tam a zpět mezi atomy uhlíku, vykazující supravodivost a další bizarní vlastnosti.
Výroba takového „Twisted Bilayer Graphen“ je stejně umění jako věda. Často poskytuje chlápky off-kilter, které nemají správný úhel. Takže pro každý pokus vědci zkontrolovali svou práci přímým zkoušením listů pomocí Skenovací tunelovací mikroskop (STM). Výsledné obrázky ukazují tok elektronů materiálem a mohou naznačovat, zda jakékoli dané sestavy zasáhlo magický úhel.
„Obecně, když děláme tato zařízení, nevíme, jaký úhel tento zkroucený dvojvrstvý grafen vyjde, dokud ho vložíme do našeho mikroskopu,“ vysvětluje Dillon Wongspoluautor studie a dříve výzkumný pracovník v Princetonu. „A většinu času je to v úplně špatném úhlu a jsme prostě zklamáni.“
Jak se očekávalo, tentokrát se to pokazilo také – první pohled ukázal, že grafen podcíl zamýšlený úhel 1,1 stupně. Ale protože tato konkrétní dvojvrstva grafenu byl Nuckolls se blíže k dalšímu známému, ale mírně menším magickému úhlu se rozhodl jej stejně zobrazovat pomocí STM.
Tento graf ukazuje, jak se mění energie (vertikální osa) elektronů jako funkce magnetického pole (horizontální osa) a shluku do oddělených Hofstadterových elektronických pásů (vícebarevné stínované oblasti). Nuckolls a jeho kolegové dokázali identifikovat, jak se energetické hladiny elektronů opakují na různých stupnicích, jak se předpokládalo, že by to bylo při tvorbě „Hofstadterova motýla“, typu kvantového fraktálu.
První obrázky nebyly tak působivé, připouští Nuckolls, ale jakmile se vědci oddáli, aby viděli plnější obrázek systému, byly více fascinovány. Uvědomili si však teprve o několik dní později, že se zdálo, že sendvičové elektrony naplňují Hofstadterovu polovinu století starou předpověď. Jejich zpoždění není tak překvapivé, vzhledem k tomu, že nehledali vzorec na prvním místě – a že se ukázalo pouze pečlivým sledováním kolektivního chování elektronů.
„Myšlenkou za motýl Hofstadtera je, že se díváte na to, jak se (struktura pásma elektronů) pohybuje, když máte magnetické pole na jedné ose a energii elektronů na straně druhé, a vyneseno na tomto diagramu, kapela tvoří fraktální strukturu, která vypadá jako motýl,“ vysvětluje Myungchul OhStudium spoluautor a nyní profesor fyziky na Pohang University of Science and Technology v Jižní Koreji. Minulé experimenty byly „nepřímé“, říká Oh v tom smyslu, že se nedívaly na skutečné transformace energie, ale spíše na měření proxy, jako jsou prostorové rozdělení elektronů.
Jakmile Nuckolls, Wong a Oh rozhodli, že tento konkrétní systém stojí za hlubší kontrolu, má za úkol Michael ScheerPostgraduální student v teoretické fyzice v Princetonu, aby přišel s robustnějšími modely pojemných interakcí v práci, aby lépe porozuměl tomu, co se děje a jak.
Hofstadterův motýl „je něco jako otisky prstů,“ říká Scheer. „Je to opravdu podrobné, informační a velmi citlivé na model, který máte, a na druhé straně na materiál, který měříte, a jeho fyzikální parametry.“ Tato souhra mezi teorií a experimentem může odhalit „obrovské množství informací“, které mohou vědci použít k dozvědění o vlastnostech materiálu, dodává Nuckolls. Jinými slovy, studium Hofstadterova motýla v zkroucených grafenových dvojvrstvách by mohlo být širší užitečnost a otevřít cestu pro další poučné zkoumání jevu v jiných systémech a materiálech.
„Jednou z největších výhod této práce je, že je … opravdu se podařilo jít ve velmi zvláštním režimu parametrů, aby viděl novou fyziku,“ říká Cristiane Morais SmithFyzik zhuštěné hmoty na Utrechtské univerzitě v Nizozemsku, který se do nové práce nezúčastnil. „Velmi zvláštní bylo, že (oni) mohli jít do situace, kdy tato malá magnetická pole (jako jsou STM) stačila k prozkoumání toho, co (oni) chtěly sondovat,“ říká, což by mělo umožnit ostatním skupinám snadno replikovat a rozpracovat experiment.
Hofstadter, nyní 80 let, zdvořile odmítl Vědecký AmeričanŽádost o komentář k novému výsledku a poznamenává, že jeho předpověď jen zřídka revidoval od té doby, co byl asi před půlstoletím, a pravděpodobně by nepravděpodobné, že by papír řádně pochopil – což, dodal, dodal, že neměl v plánu číst. „V průběhu let jsem viděl mnoho nároků na experimentální“ replikaci „(předpokládané) rekurzivity,“ říká. „Ale všichni jsou extrémně hrubozrnné a žádný z nich se nepřiblížil k detekci skutečné rekurzivně vnořené struktury. To se možná stane za dalších několik desetiletí-pokud v té době stále existuje lidstvo.“
Přesto nové dílo bere lidstvo alespoň několik stop (nebo křídlových klapek?) K realizaci Hofstadterových předpovědí. Tento počáteční výsledek je zralý pro následné studie, říká OH, jako je například zkoumání, zda Hofstadterův motýl bude stále letět v grafenových sendvičích podrobených mnohem silnějším magnetickým poli. „Rád bych viděl, jak a zda bude vzorec Hofstadteru napodobit na magnetických polích vyššího měřítka,“ říká.
„O tom, že na tomto problému pracujeme 50 let po výpočtu Hofstadtera, je něco velmi uspokojivého,“ říká Nuckolls. „V původním článku Hofstadtera v podstatě dochází k závěru, že“ to, co jsem vypočítal a předpovídal, je opravdu úžasné, ale nikdo to nikdy neuvidí, protože nezbytná magnetická pole nikdy nebude dosažena. “ Přesto 25 let poté vědci začali vidět první důkazy podporující jeho výpočty.
