By Здавалося б, що ідея прихованих світів, інспірована неоднозначними правилами фізики, є чимось із наукової фантастики. Однак нещодавно науковці виявили прихований плаский світ у реальному матеріалі, який є ідеальним провідником електричного струму – пише Кармела Падавіч-Каллаген у журналі Scientific American.
У Proceedings of the National Academy of Sciences USA було опубліковано результати досліджень, з яких випливає, що електрони в тривимірному матеріалі поводяться так, наче існує лише два виміри.
Наше життя протікає у світі, який має три просторові виміри: глибину, ширину і висоту. Науковці здатні творити дуже тонкі структури, які поводяться так, ніби висоти не існує. Але цього разу вони досліджували матеріал із тривимірною структурою, утвореною атомами барію, олова, бісмуту й кисню. Група із Національної прискорювальної лабораторії SLAC працювала над новим надпровідником, тобто матеріалом, у якому електрони рухаються, не наштовхуючись на бар’єри. Такі надпровідники використовуються, наприклад, в апаратах МРТ, прискорювачах частинок і деяких квантових комп’ютерах.
Результати вимірювань здивували науковців. З’ясувалось, що електрони всередині надпровідника, найімовірніше, ігнорували один вимір і вкладалися в ідеально пласкі смуги.“Відповідальні за надпровідність електрони спонтанно творили двовимірну систему, до якої їх не змушувала діяльність жодних фізичних чи хімічних чинників, жодна особлива технологія формування”, – пояснює Кароліна Парра, фізичка з Технічного університету імені Федеріко Санта-Марії, що в Чилі, і провідна авторка праці.
Науковці вже й раніше підозрювали, що в тому матеріалі електрони здатні творити двовимірні системи, але не могли цього довести. Тільки зараз таке впорядкування вдалося безпосередньо зауважити. Дослідження за допомогою тунельного мікроскопа “демонструють фізичні властивості взірців аж до рівня атомів”, говорить Гарі Маногаран, фізик із SLAC, який є співавтором статті. Це стало можливим завдяки квантовому явищу, що зветься тунелюванням: електрони із зонда мікроскопа стараються проникнути у взірець, виявляючи при нагоді властивості окремих атомів надпровідника й пов’язаних із ними електронів.
Нандіні Тріведі, фізичка з Університету штату Огайо, яка не брала участі в дослідженнях, звертає увагу на те, що виявлені “пласкі сфери”, створені електронами, є досконалими полігонами для перевірки теорії надпровідності. Тріведі досліджує екстремально тонкі шари надпровідника, де проявляються густі мережі сильно впливових острівців, що накопичують електрони. Група, якою керує Маногаран, також зауважила в досліджуваних взірцях схожі процеси самоорганізації електронів, які часто сильніше демонструють двовимірну поведінку, ніж це відбувається в структурах, які цілеспрямовано проєктуються й реалізуються як двовимірні системи.
Зрозуміння специфічної поведінки електронів у надпровідниках може стати в пригоді під час проєктування нових матеріалів такого типу. Відомі зараз надпровідники здебільшого вимагають охолодження до низьких температур, зазвичай вищих усього на кілька-кільканадцять градусів від абсолютного нуля. Паула Жіральдо-Ґалло, фізичка зі SLAC і співавторка статті, підкреслює, що необхідність охолодження ускладнює практичне використання надпровідності, але фізики все ще не знають, як модифікувати структуру матеріалу, щоб явище проявлялося й за кімнатної температури.
Здається, що частина тісно зв’язаних груп електронів, що їх було виявлено в згаданій праці, демонструвала стан надпровідності за несподівано високої температури. “Цей матеріал має шанс стати високотемпературним надпровідником, – переконує Жіральдо-Ґалло. – Однак ми й надалі не знаємо, який чинник тут є вирішальним”. Можливо, відповідь дадуть нові дослідження двовимірного світу.
