Физики получили первое четкое изображение электрона и очень удивились
Для начала мысленно перенесемся на 90 лет назад, а именно в 1934 год. Американский ученый венгерского происхождения Юджин Вигнер предсказал, как будут вести себя электроны.
При комнатной температуре они текут вместе в виде электрического тока. Это связано с тем, что их кинетическая энергия в этих условиях побеждает силу, которая заставляет одинаково заряженные частицы отталкиваться друг от друга.
Когда температура окружающей среды становится очень низкой, то электрическая сила отталкивания одерживает верх над кинетической энергией. Таким образом, электроны просто вынуждены выстроиться в однородную сетку или кристалл, который впоследствии назвали в честь Вигнера.
С тех пор минул почти век, но исследователи лишь недавно стали догадываться, как можно сделать кристалл Вигнера в лабораторных условиях.
— профессор физики Али Яздани, Университет Принстона, США.
Рецепт создания таинственного кристалла оказался достаточно сложным. Во всяком случае, в домашних условиях повторить его точно не получится.
Исследователи взяли два сверхтонких листа графена (толщина — один атом), в которых практически отсутствовали дефекты. Дальше пластины были помещены в холодильник, где температура была всего лишь на несколько сотых градуса выше абсолютного нуля. Такое экстремальное охлаждение было нужно для того, чтобы максимально понизить кинетическую энергию электронов. Далее на листы графена стали воздействовать сильным магнитным полем.
В статье Али Яздани объясняет, зачем им понадобились пластинки графена, где почти не было дефектов. Если бы их было много, то электроны могли бы застревать в них. Тогда бы кристалл сформировался благодаря этим дефектам. А физики Принстона хотели, что электроны приняли кристаллообразное состояние, взаимодействуя друг с другом, как это когда-то предрекал Вигнер.
В прошлых экспериментах ученые даже не пытались сфотографировать кристалл. Они стремились доказать существование кристалла Вигнера другим способом, старались спровоцировать электроны к производству тока. Едва частицы переставали течь, исследователи делали вывод, что электроны плотно залипли в ячейках.
Однако коллектив Али Яздани сумел совершить, казалось бы, невозможное. Исследователи из Принстона нашли способ получить изображение неуловимого кристалла с помощью специализированного электронного микроскопа.
Данный прибор использует квантовый эффект, научное название которого — туннелирование. Металлический наконечник, заостренный по максимуму, осуществлял сканирование поверхности графена. Когда острие проходило над каким-нибудь электроном, частица туннелировала сквозь дозор между поверхностью графенового листа и жалом сканера, формируя небольшой по силе электрический ток.
Эти токи подсказывали физикам, где и как плотно «сидят» электроны внутри графена. Данная информация дала ученым Принстонского университета возможность создать максимально точный на нынешний момент снимок кристалла Вигнера.
Следует сказать, что Али Яздани и его команда были далеко не первыми, кто использовал графеновые листы атомарной толщины в похожем эксперименте. Однако в прошлый раз ячейки электронов находились внутри материала, который, в свою очередь, был и сам стиснут между слоями других материалов.
Такой многослойный «бутерброд» сделал фотографию весьма расплывчатой. Кроме того, исследователям, проводившим прошлый эксперимент, было сложно определить, какие конкретно факторы способствовали тому, что электрон превратился в кристалл. Ведь вполне вероятно, что на образование кристаллической структуры могли повлиять сетчатые формы соседних материалов.
Фотографии, которые сделал Яздани со своей командой, полностью подтвердили предсказание Вигнера. Как и описывал великий ученый, электроны находились в вершинах повторяющихся треугольников.
Также исследователям удалось зафиксировать, какие метаморфозы происходили с кристаллической структурой при перемене различных факторов. Напряженность магнитного поля, температура и число электронов в кристалле менялись, когда на материал воздействовали электрическим напряжением.
В итоге Али Яздани с помощниками получили совершенно невообразимые результаты. Например, они сумели «расплавить» кристалл Вигнера… в электронную жидкость, которая вообще не сжималась. Также им удалось получить крайне экзотическую жидкость, в которой электроны «сцеплялились» в длинные ленты.
В ближайших планах принстонских физиков сделать снимки этих жидких состояний. В них ученые зафиксировали странные частицы, которые схожи с электронами, однако имеют лишь частичный разряд.
— профессор Яздани.
При комнатной температуре они текут вместе в виде электрического тока. Это связано с тем, что их кинетическая энергия в этих условиях побеждает силу, которая заставляет одинаково заряженные частицы отталкиваться друг от друга.
Когда температура окружающей среды становится очень низкой, то электрическая сила отталкивания одерживает верх над кинетической энергией. Таким образом, электроны просто вынуждены выстроиться в однородную сетку или кристалл, который впоследствии назвали в честь Вигнера.
С тех пор минул почти век, но исследователи лишь недавно стали догадываться, как можно сделать кристалл Вигнера в лабораторных условиях.
За эти годы ученые написали, наверное, сотни статей, где приводились косвенные доказательства того, что кристалл Вигнера существует на самом деле. И уж, конечно, мы не никогда не думали, что у нас получится его сфотографировать. Скажу честно, это вышло случайно
— профессор физики Али Яздани, Университет Принстона, США.
Рецепт создания таинственного кристалла оказался достаточно сложным. Во всяком случае, в домашних условиях повторить его точно не получится.
Исследователи взяли два сверхтонких листа графена (толщина — один атом), в которых практически отсутствовали дефекты. Дальше пластины были помещены в холодильник, где температура была всего лишь на несколько сотых градуса выше абсолютного нуля. Такое экстремальное охлаждение было нужно для того, чтобы максимально понизить кинетическую энергию электронов. Далее на листы графена стали воздействовать сильным магнитным полем.
В статье Али Яздани объясняет, зачем им понадобились пластинки графена, где почти не было дефектов. Если бы их было много, то электроны могли бы застревать в них. Тогда бы кристалл сформировался благодаря этим дефектам. А физики Принстона хотели, что электроны приняли кристаллообразное состояние, взаимодействуя друг с другом, как это когда-то предрекал Вигнер.
В прошлых экспериментах ученые даже не пытались сфотографировать кристалл. Они стремились доказать существование кристалла Вигнера другим способом, старались спровоцировать электроны к производству тока. Едва частицы переставали течь, исследователи делали вывод, что электроны плотно залипли в ячейках.
Однако коллектив Али Яздани сумел совершить, казалось бы, невозможное. Исследователи из Принстона нашли способ получить изображение неуловимого кристалла с помощью специализированного электронного микроскопа.
Данный прибор использует квантовый эффект, научное название которого — туннелирование. Металлический наконечник, заостренный по максимуму, осуществлял сканирование поверхности графена. Когда острие проходило над каким-нибудь электроном, частица туннелировала сквозь дозор между поверхностью графенового листа и жалом сканера, формируя небольшой по силе электрический ток.
Эти токи подсказывали физикам, где и как плотно «сидят» электроны внутри графена. Данная информация дала ученым Принстонского университета возможность создать максимально точный на нынешний момент снимок кристалла Вигнера.
Следует сказать, что Али Яздани и его команда были далеко не первыми, кто использовал графеновые листы атомарной толщины в похожем эксперименте. Однако в прошлый раз ячейки электронов находились внутри материала, который, в свою очередь, был и сам стиснут между слоями других материалов.
Такой многослойный «бутерброд» сделал фотографию весьма расплывчатой. Кроме того, исследователям, проводившим прошлый эксперимент, было сложно определить, какие конкретно факторы способствовали тому, что электрон превратился в кристалл. Ведь вполне вероятно, что на образование кристаллической структуры могли повлиять сетчатые формы соседних материалов.
Фотографии, которые сделал Яздани со своей командой, полностью подтвердили предсказание Вигнера. Как и описывал великий ученый, электроны находились в вершинах повторяющихся треугольников.
Также исследователям удалось зафиксировать, какие метаморфозы происходили с кристаллической структурой при перемене различных факторов. Напряженность магнитного поля, температура и число электронов в кристалле менялись, когда на материал воздействовали электрическим напряжением.
В итоге Али Яздани с помощниками получили совершенно невообразимые результаты. Например, они сумели «расплавить» кристалл Вигнера… в электронную жидкость, которая вообще не сжималась. Также им удалось получить крайне экзотическую жидкость, в которой электроны «сцеплялились» в длинные ленты.
В ближайших планах принстонских физиков сделать снимки этих жидких состояний. В них ученые зафиксировали странные частицы, которые схожи с электронами, однако имеют лишь частичный разряд.
Было бы не плохо «сфотографировать» эти загадочные частицы тоже
— профессор Яздани.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Капитан «обреченной экспедиции» был съеден собственным экипажем
Темные факты, хранившиеся почти два века в тайне, начинают постепенно раскрываться....
Ученые рассказали, что на самом деле означают сны
Похоже, что сонники нас обманывали....
Илон Маск снова в центре крупного скандала
Новые спутники Starlink вызывают ярость у астрономов....
Гладиаторы сражались насмерть. Или нет?
Ответ оказался крайне неоднозначным....
По новой теории человеческое сознание находится сразу во многих скрытых измерениях
Это кажется дичью, но американский физик уверяет, что нашел доказательства....
Самому одинокому в мире дереву из тысячелетней косточки исполнилось 14 лет
Лекарственное дерево вырастили из древнего семени, найденного в пещере....
Новая тайна озера Мичиган: на дне найдены десятки гигантских кратеров
Как они появились и что от них ждать, ученые пока не знают....
Слепить автомобиль: вязкость нового конструкционного клея в 22 раза превзошла эпоксидку
Новое вещество с добавкой резины сделает транспорт легче и экономичнее....
Эффективность максимальна: паучьи клыки оказались необычайно мощными резаками
Анатомия пауков прокладывает путь для новых режущих инструментов....
Авиакомпании будут замедлять скорость самолетов
Это делается во благо всех людей, но вот получится ли?...
Волки-убийцы терроризируют индийский штат Уттар-Прадеш
Почему хищники открыли охоту на детей?...
Кровавая тайна разгадана спустя полвека
Некоторые люди теперь могут вздохнуть с облегчением....
Мамонты возвращаются! Первые особи появятся уже через четыре года
Что нас ждет: возрождение древних гигантов или экологическая катастрофа?...
Возле светловолосых мумий из китайской пустыни нашли кефирный сыр возрастом 3600 лет
Исследованы геномы молочнокислых бактерий бронзового века....
Голубое пятно в мозге оказалось порталом в мир грёз
Учёные открыли секрет сновидений и их связи с заболеваниями....
Новое понимание эволюции зауроподов: в Индии рассмотрели хвостовые булавы
Но зачем они были нужны длинношеим гигантам — загадка....