Как физики поймали электроны в трехмерный кристалл

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Замечательное открытие было сделано физиками из Массачусетского технологического института (MIT). Они впервые смогли заставить электроны в трехмерном кристалле вести себя как одно целое, достигнув так называемого электронного «плоского полосы». Это состояние может породить экзотические эффекты, такие как сверхпроводимость и необычные формы магнетизма. Давайте разберемся, что это значит и как это было сделано.

Физики из Массачусетского технологического института поймали электроны в чистый кристалл, что стало первым достижением электронной плоской зоны в трехмерном материале. Редкое электронное состояние обусловлено особым кубическим расположением атомов (на фото), напоминающим японское искусство «кагомэ». Полученные результаты предоставляют ученым новый способ исследования редких электронных состояний в 3D-материалах
Физики из Массачусетского технологического института поймали электроны в чистый кристалл, что стало первым достижением электронной плоской зоны в трехмерном материале. Редкое электронное состояние обусловлено особым кубическим расположением атомов (на фото), напоминающим японское искусство «кагомэ». Полученные результаты предоставляют ученым новый способ исследования редких электронных состояний в 3D-материалах
Автор: Joseph Checkelsky, Riccardo Comin, et al Источник: phys.org

Электроны — это элементарные частицы, которые обладают отрицательным электрическим зарядом и могут двигаться в проводящих материалах. Обычно электроны не обращают внимания друг на друга и имеют различные значения энергии. Но если их как-то «запереть» вместе, они могут синхронизироваться и занять одинаковый уровень энергии. Тогда они перестают быть индивидуальными частицами и становятся коллективным объектом, который подчиняется законам квантовой механики. Такое состояние называется электронной «плоской полосой», потому что на графике зависимости энергии от импульса электронов оно выглядит как горизонтальная линия.

Физики давно предполагали, что в таком состоянии электроны могут проявлять необычное поведение, например, сверхпроводимость — способность переносить электрический ток без потерь. Сверхпроводимость уже наблюдалась в некоторых материалах при очень низких температурах, но механизм ее возникновения до сих пор не до конца понят. Если бы удалось создать сверхпроводник, который работал бы при комнатной температуре, это было бы революционным открытием для энергетики, компьютерной техники и других областей.

Однако, добиться электронной «плоской полосы» в реальных материалах оказалось очень сложно. Ранее физики смогли «запереть» электроны только в двумерных структурах, например, в графене — одноатомном слое углерода. Но в таких системах электроны легко «утекают» в третьем измерении, и поэтому «плоская полоса» нестабильна.

Команда MIT решила попробовать создать «плоскую полосу» в трехмерном кристалле, то есть в упорядоченной решетке атомов. Для этого они использовали особую геометрию атомов, которая напоминает японское искусство плетения корзин «кагоме». В такой решетке атомы расположены в виде шестиугольников, которые соединяются между собой по трем вершинам. Оказалось, что в такой структуре электроны «застревают» в клетках из атомов и не могут перепрыгивать на другие уровни энергии. Таким образом, физики получили чистый кристалл, в котором электроны образовали «плоскую полосу».

Чтобы проверить, можно ли из такого кристалла сделать сверхпроводник, ученые подвергли его химическому воздействию, заменив некоторые атомы на другие элементы. Так они смогли изменить количество электронов в кристалле и подвинуть их ближе друг к другу. В результате они обнаружили, что при определенных условиях кристалл становится сверхпроводящим, то есть способным проводить ток без сопротивления.

Это открытие демонстрирует, что электронная «плоская полоса» может быть реализована в трехмерных материалах с помощью простой геометрии атомов. При этом не важно, из каких конкретно элементов состоит кристалл, главное — чтобы он имел форму «кагоме». Это открывает новые возможности для исследования редких квантовых состояний вещества и поиска новых сверхпроводников, которые могут работать при более высоких температурах. Мы надеемся, что в будущем такие материалы помогут создать более эффективные и умные электронные устройства.

1 комментарий

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Как устроена раскаленная «планета-зефир»: «Джеймс Уэбб» нашел кварцевые облака и аномальный климат на WASP-17 b

Когда астрономы изучают атмосферы планет за пределами Солнечной системы, они чаще всего используют метод спектроскопии пропускания. В моменты, когда экзопланета проходит между Землей и своей...

Почему волк покидает родную стаю, даже когда в ней достаточно пищи

Волчья семья может годами жить на одной территории. Взрослые животные знают, где искать пищу, молодые постепенно осваивают окружающую местность, а подросшие волчата помогают заботиться о младших....

Илон Маск обещает летающий автомобиль к 2028 году. Эту сказку нам слово в слово рассказывали в 1957-м

На испытательном полигоне компании SpaceX в городе Макгрегор, штат Техас, состоялась закрытая презентация новой версии спортивного автомобиля Tesla Roadster. Во время показа машина заехала на...

ИИ декодировал язык клеточных сигналов — и подсказал, как вырастить живые ткани в пробирке

В процессе развития эмбриона исходно одинаковые клетки постепенно превращаются в десятки специализированных типов: нейроны, мышечные волокна, клетки печени или кожи. Выбор пути зависит от...

Плейлисты на компакт-кассете: как дека Uher CG 355 запоминала порядок треков

В конце 1970-х слушать кассету значило постоянно держать руку на клавишах. Нужный трек искали перемоткой вперёд или назад, глядя на механический счётчик или просто на слух. Мюнхенская фирма Uher...

Как остановить опасный астероид, если таран не сработает: суперкомпьютер нашел решение

Падение крупного небесного тела на Землю — единственный вид глобальной природной катастрофы, который человечество способно предотвратить с помощью доступных технологий. Атмосфера планеты...