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
Как на ладони: Обнаружен морской гигант, который виден из космоса
Мегакоралл у Соломоновых островов оказался самым крупным животным Земли....
Спасти планету сможет… африканский червь
В Кении найдено насекомое с удивительными способностями....
Забудьте всё, что вы знали о Луне
Новая теория предлагает в корне иное происхождение ночного светила....
Главная тайна Седьмой планеты разгадана через 38 лет
Уран оказался не таким уж странным, как думали ученые....
80 000 лет жизни: какие тайны скрывает самое древнее и большое существо на планете?
Залог невероятного долголетия и удивительного выживания обнаружили учёные....
Раскрыт секрет идеального женского тела?
Оказывается, дело вовсе не в соотношении талии и бедер....
«Орешник», «Бук» и «Тополь»: искусный нейминг от российских военных конструкторов
Наука как сбить Запад с толку....
Янтарь из недр Антарктиды раскрыл тайны тропических лесов
Застывшая смола возрастом 90 млн лет как часть исчезнувшей экосистемы....
Саблезубый котёнок томился во льдах Якутии 35 тысяч лет
Благодаря находке стало известно, что сородичи пушистика обитали в столь холодных местах....
Ученая вылечила свой рак вирусами собственного производства
Если человек хочет жить — медицина бессильна....
Носи умные очки или увольняйся!
Amazon планирует заставить всех курьеров носить этот электронный прибор....
Разгадано учеными: почему города разрушают сердце и разум
Причины, которые нашли исследователи, вас удивят....
Почти бессмертные существа помогут человечеству покорить глубокий космос
Ученым, наконец, удалось «взломать» код поразительной живучести тихоходок....
Турбулентность отменяется! А пилоты-люди вообще будут не нужны
Искусственный интеллект может в корне изменить авиацию....
Надеялись на Беса: древние египтянки при беременности хлебали галлюциногенные смеси
Думали, что божок с двусмысленным для нас именем убережёт....
Чудо в перьях: Робот-голубь «упорхнёт» от радиолокации
Изобретение грозит новой гонкой вооружений....