Представьте себе на мгновение, что электроны, бесконечно малые частицы, которые тяготеют к атомным ядрам, могут замерзнуть и организоваться в твердую структуру. Именно это ученым удалось впервые наблюдать в ходе революционного эксперимента. Это явление, до сих пор теоретически обоснованное, но так и не доказанное напрямую, знаменует собой значительный прогресс в нашем понимании квантовой физики.
Новая версия кристалла Вигнера
Электроны — субатомные частицы, которые обычно свободно перемещаются в материалах. Однако в экстремальных условиях, например при очень низких температурах, их поведение может кардинально измениться. В 1934 году физик Юджин Вигнер предположил, что после замедления электроны могут быть организованы в своего рода кристаллическую структуру, подобную той, что наблюдается в кристаллах соли или льда, но в бесконечно малом масштабе.
Если говорить подробно, то в обычных условиях электроны движутся через материалы как неупорядоченная жидкость. Однако при очень низких температурах их электростатическое отталкивание (поскольку все электроны имеют отрицательный заряд) становится преобладающим. Вместо того чтобы свободно перемещаться, электроны отталкиваются друг от друга и стабилизируются в фиксированных положениях, образуя кристаллическую структуру. В результате получается кристалл Вигнера.
Это захватывающее явление, которое кажется почти магическим, оставалось теоретическим на протяжении десятилетий. Лишь недавно группе исследователей удалось впервые наблюдать этот процесс. Причем они наблюдали не просто классический кристалл Вигнера. Они открыли еще более сложную версию: молекулярный кристалл Вигнера. В последнем случае группы электронов, называемые электронными молекулами, собираются вместе и упорядоченно располагаются в кристаллической решетке. Эта форма кристалла более сложна, поскольку в ее основе лежат молекулярные структуры, образованные несколькими электронами, а не просто отдельными электронами.
Наблюдение этого молекулярного кристалла Вигнера знаменует собой поворотный момент в нашем понимании материалов и свойств электронов в экстремальных условиях. Теперь есть экспериментальные доказательства того, что группы электронов могут вести себя как отдельные сущности, которые кристаллизуются в стабильную структуру.
Как исследователям удалось это сделать?
Сложность наблюдения за электронными кристаллами заключается в самой природе электронов: они крошечные, чрезвычайно быстрые и очень чувствительны к окружающей среде. Более того, электронные кристаллы образуются при очень специфических условиях температуры и плотности, что делает их чрезвычайно хрупкими для наблюдения. При использовании обычных инструментов для их изучения есть риск нарушить эти хрупкие структуры.
Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи использовали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — прибор, способный обнаруживать атомные структуры в чрезвычайно тонких масштабах. Однако даже с таким высокоточным устройством наблюдение оставалось сложным, поскольку электрическое поле, создаваемое наконечником микроскопа, могло нарушить работу электронов. Чтобы минимизировать эти помехи, команда использовала инновационный метод, заключающийся в регулировке расстояния и напряжения между наконечником сканирующего туннельного микроскопа и образцом, что позволило снизить воздействие электрического поля, создаваемого наконечником, и избежать нарушения хрупкой структуры молекулярных кристаллов электронов, сохранив при этом возможность получения точных изображений.
Почему это открытие важно?
Это открытие может иметь значительные последствия для физики материалов и квантовой технологии материалов. Молекулярные кристаллы Вигнера могут открыть путь к новым классам материалов с уникальными свойствами, в частности, для электроники будущего. Например, исследователи уже предполагают, что эти кристаллы могут быть использованы в производстве сверхпрочных электронных компонентов или для улучшения хранения энергии в электронных устройствах.
Еще одно потенциальное применение — разработка квантовых компьютеров. Эти машины, использующие принципы квантовой физики для обработки информации, могли бы получить преимущества от материалов, способных манипулировать электронами новыми и более эффективными способами. Это позволит создавать более мощные компьютеры с вычислительными возможностями, несравнимыми с нынешними технологиями.
