Поймали бабочку Хофштадтера – энергетическую структуру, предсказанную 40 лет назад.
Это — бабочка, летящая над поверхностью, которая, по замыслу художника, должна иллюстрировать слой графена на подложке из нитрида бора.
А это — бабочка Хофштадтера — фрактал, описывающий спектр решений уравнения Харпера.
Американский физик Дуглас Хофштадтер еще в 1976 году предсказал существование особых фракталов, внешне напоминающих бабочек. Такой фрактал — графическое представление колебаний потенциальной энергии электронов на двумерных атомных решетках (например, на листе графена). Фрактальные структуры нередко иллюстрируют протекание различных процессов в «классических» разделах физики (например, механике жидкостей и газов), но в квантовом мире довольно редки. Поэтому бабочка Хофштадтера давно дразнила умы ученых –, но экспериментально наблюдать это явление удалось только сейчас.
Посчастливилось сразу трем независимым группам исследователей, работы двух из которых были опубликованы в одном номере Nature, а третьей — в Science на той же неделе.
Электроны, являющиеся носителями тока в графене, формируют специфические структуры — фермионы Дирака, имитирующие поведение безмассовых релятивистских частиц (нейтрино). Изучение настоящих нейтрино обычно требует огромных затрат и сложного оборудования. Возможность смоделировать эти частицы — одна из примечательных особенностей графена.
Ученые из университета Манчестера, в числе которых нобелевские лауреаты Андрей Гейм и Константин Новоселов, нашли способ создания нескольких «клонов» одного фермиона Дирака. Они поместили графен над пластиной нитрида бора так, что электроны графена могли «чувствовать» отдельные атомы бора и азота. Двигаясь по этой «стиральной доске» из атомов, электроны способны сформировать несколько новых копий оригинального фермиона Дирака. Под влиянием сильного магнитного поля число рожденных «клонов» заметно увеличивается, и дубли выстраиваются в сложный узор — бабочку Хофштадтера.
Аналогичные результаты получили исследователи из Колумбийского университета, изучавшие квантовый эффект Холла на примере того же «бутерброда» из графена и нитрида бора, помещенного в сильное магнитное поле, и ученые из MIT, работа которых также посвящена фермионам Дирака в гетероструктурах Ван дер Ваальса — такой гетероструктурой и является пара наложенных друг на друга атомарно тонких кристаллов.
Популярная механика по материалам PhysOrg
© Ноосфера
