Вот как на самом деле движутся атомы: получены первые в истории снимки их колебаний

Мы привыкли думать о мире как о чём-то цельном и стабильном. Стол, за которым вы сидите, экран, на который смотрите, — всё кажется неподвижным. Но если бы у нас была возможность уменьшиться до размеров атома, мы бы увидели совершенно иную картину: неистовый, непрерывный танец. Всё вокруг нас вибрирует, дрожит и колеблется на невообразимо малом уровне. Долгое время этот скрытый мир движений был для науки скорее теоретической концепцией, чем наблюдаемой реальностью.

Но всё изменилось. Группа исследователей под руководством Ичао Чжан из Мэрилендского университета сделала то, что казалось почти невозможным, — они не просто увидели, но и засняли эти атомные колебания. И то, что они обнаружили, может стать ключом к технологической революции, от квантовых компьютеров до сверхэффективной электроники.

Двумерный мир и его странные узоры

Чтобы понять суть открытия, нужно сначала погрузиться в удивительный мир двумерных (2D) материалов. Представьте себе материал настолько тонкий, что его толщина составляет всего один или несколько атомов. Самый известный пример — графен, слой углерода толщиной в один атом, который можно, грубо говоря, получить с кончика простого карандаша.

Эти материалы сами по себе обладают поразительными свойствами. Но настоящая магия начинается, когда учёные берут два таких атомных «листа» и накладывают один на другой, слегка повернув их относительно друг друга. Что происходит? Возникает новый, более крупный периодический узор, похожий на тот, что вы видите, глядя сквозь две сетки-рабицы или тюлевые занавески. Этот эффект называется муаровым узором.

В этом причудливом, рукотворном наномире законы физики начинают работать иначе. Именно здесь, в этих скрученных двумерных структурах, и скрывался главный герой нашего рассказа.

Призрачная рябь: в поисках муаровых фазонов

Теоретики давно предсказывали, что по муаровому узору должны пробегать особые волны — своего рода коллективная вибрация атомов, которую назвали муаровыми фазонами. Это не просто хаотичное дрожание каждого атома по отдельности. Представьте себе рябь на воде: каждая молекула воды движется вверх-вниз, но вместе они создают волну, бегущую по поверхности. Фазон — это нечто похожее: организованная волна смещений, которая распространяется по всей атомной решётке, следуя геометрии муарового узора.

Почему эти фазоны так важны? Потому что именно они, как предполагалось, управляют ключевыми свойствами материала: как он проводит тепло, как в нём движутся электроны и даже могут ли в нём возникать экзотические состояния вроде сверхпроводимости.

Проблема была одна: никто и никогда их не видел. Фазоны оставались теоретическим «призраком», неуловимым для любых экспериментальных методов. Как заглянуть в атомную структуру и поймать в кадр столь мимолётное и тонкое явление?

Птихография: объектив для наномира

Здесь на сцену выходит команда Ичао Чжан и их мощнейший инструмент — электронная птихография. Не пугайтесь сложного названия. По сути, это сверхпродвинутый метод электронной микроскопии, который позволил учёным добиться двух вещей.

Во-первых, невероятного разрешения — менее 15 пикометров (это одна триллионная доля метра). Чтобы вы понимали, это настолько крошечное расстояние, что на его фоне диаметр атома водорода кажется гигантским.

А во-вторых, и это самое главное, метод оказался достаточно чувствительным, чтобы зафиксировать не статичное положение атомов, а их «размытие» от тепловых колебаний. Представьте, что вы фотографируете летящего колибри с длинной выдержкой — вы получите размытый след от взмахов крыльев. Учёные увидели нечто подобное, только вместо крыльев были вибрирующие атомы.

Что показал снимок? Язык атомных движений

Анализируя это «размытие», команда сделала прорывное открытие. Оказалось, что тепловые колебания в скрученных 2D-материалах вовсе не хаотичны. В них доминирует упорядоченное, коллективное движение — те самые муаровые фазоны! Теоретический призрак наконец-то был пойман.

Это полностью меняет правила игры. Раньше учёные могли лишь догадываться о влиянии этих колебаний. Теперь они могут их видеть и измерять. Как метко выразилась сама Ичао Чжан: «Это словно расшифровка тайного языка атомных движений».

Впервые в истории наука получила возможность картировать тепловые вибрации с атомарной точностью. Это всё равно что перейти от прослушивания невнятного гула стадиона к возможности расслышать разговор каждого отдельного болельщика.

От наблюдения к управлению: что дальше?

Это открытие — не просто красивая картинка из мира фундаментальной науки. Оно открывает прямую дорогу к созданию материалов с заранее заданными свойствами.

Если мы видим, как именно вибрируют атомы, и понимаем, что этими вибрациями управляют фазоны, значит, мы можем научиться управлять самими фазонами. А управляя ими, мы сможем контролировать теплопроводность, электрическое сопротивление и оптические свойства материала.

Это путь к созданию:

• Энергоэффективной электроники, которая почти не будет нагреваться.
• Новых типов сверхпроводников, работающих при более высоких температурах.
• Сверхчувствительных нанодатчиков, способных реагировать на малейшие изменения.
• И, конечно, это огромный шаг вперёд для квантовых вычислений, где стабильность и контроль над каждым атомом имеют решающее значение.

Исследователи впервые получили в руки карту скрытого мира атомных движений. И теперь, вооружившись этим знанием, они готовятся стать не просто наблюдателями, а архитекторами этого мира, прокладывая путь к технологиям, которые сегодня кажутся нам фантастикой.