Как физики поймали электроны в трехмерный кристалл

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Оффтопик

Замечательное открытие было сделано физиками из Массачусетского технологического института (MIT). Они впервые смогли заставить электроны в трехмерном кристалле вести себя как одно целое, достигнув так называемого электронного «плоского полосы». Это состояние может породить экзотические эффекты, такие как сверхпроводимость и необычные формы магнетизма. Давайте разберемся, что это значит и как это было сделано.

Физики из Массачусетского технологического института поймали электроны в чистый кристалл, что стало первым достижением электронной плоской зоны в трехмерном материале. Редкое электронное состояние обусловлено особым кубическим расположением атомов (на фото), напоминающим японское искусство «кагомэ». Полученные результаты предоставляют ученым новый способ исследования редких электронных состояний в 3D-материалах
Автор: Joseph Checkelsky, Riccardo Comin, et al Источник: phys.org

Электроны — это элементарные частицы, которые обладают отрицательным электрическим зарядом и могут двигаться в проводящих материалах. Обычно электроны не обращают внимания друг на друга и имеют различные значения энергии. Но если их как-то «запереть» вместе, они могут синхронизироваться и занять одинаковый уровень энергии. Тогда они перестают быть индивидуальными частицами и становятся коллективным объектом, который подчиняется законам квантовой механики. Такое состояние называется электронной «плоской полосой», потому что на графике зависимости энергии от импульса электронов оно выглядит как горизонтальная линия.

Физики давно предполагали, что в таком состоянии электроны могут проявлять необычное поведение, например, сверхпроводимость — способность переносить электрический ток без потерь. Сверхпроводимость уже наблюдалась в некоторых материалах при очень низких температурах, но механизм ее возникновения до сих пор не до конца понят. Если бы удалось создать сверхпроводник, который работал бы при комнатной температуре, это было бы революционным открытием для энергетики, компьютерной техники и других областей.

Однако, добиться электронной «плоской полосы» в реальных материалах оказалось очень сложно. Ранее физики смогли «запереть» электроны только в двумерных структурах, например, в графене — одноатомном слое углерода. Но в таких системах электроны легко «утекают» в третьем измерении, и поэтому «плоская полоса» нестабильна.

Команда MIT решила попробовать создать «плоскую полосу» в трехмерном кристалле, то есть в упорядоченной решетке атомов. Для этого они использовали особую геометрию атомов, которая напоминает японское искусство плетения корзин «кагоме». В такой решетке атомы расположены в виде шестиугольников, которые соединяются между собой по трем вершинам. Оказалось, что в такой структуре электроны «застревают» в клетках из атомов и не могут перепрыгивать на другие уровни энергии. Таким образом, физики получили чистый кристалл, в котором электроны образовали «плоскую полосу».

Чтобы проверить, можно ли из такого кристалла сделать сверхпроводник, ученые подвергли его химическому воздействию, заменив некоторые атомы на другие элементы. Так они смогли изменить количество электронов в кристалле и подвинуть их ближе друг к другу. В результате они обнаружили, что при определенных условиях кристалл становится сверхпроводящим, то есть способным проводить ток без сопротивления.

Это открытие демонстрирует, что электронная «плоская полоса» может быть реализована в трехмерных материалах с помощью простой геометрии атомов. При этом не важно, из каких конкретно элементов состоит кристалл, главное — чтобы он имел форму «кагоме». Это открывает новые возможности для исследования редких квантовых состояний вещества и поиска новых сверхпроводников, которые могут работать при более высоких температурах. Мы надеемся, что в будущем такие материалы помогут создать более эффективные и умные электронные устройства.

1 комментарий

108295282012109436047@google
Так сделали ли из этой полосы ВТСП, или нет?
Какое может быть у графена третье измерение, если он двумерная плоскость?

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

В сердце Млечного Пути: астрономы исследуют пульсары-пауки и другие загадки Terzan 5

Глубоко в сердце Млечного Пути, скрытый от невооружённого глаза межзвёздной пылью, таится Terzan 5 — объект пристального внимания астрономов. Это не просто рядовое скопление звёзд, а...

Как хранить продукты в жару

С наступлением жаркой погоды важно уделить особое внимание хранению продуктов питания. Высокие температуры способствуют быстрому размножению бактерий, что может привести к порче продуктов и пищевым...

Умные мурлыки: 5 пород кошек с высоким IQ, которые легко обучаются

В мире кошек существуют особые породы, которые не только привлекают своей миловидной внешностью, но и впечатляют своим высоким уровнем интеллекта. Эти умные питомцы не только быстро учатся, но и...

Почему Steam Deck — консоль предельных параметров без будущего (но её все равно стоит купить)

Когда в июле 2021 года Valve анонсировала Steam Deck, игровое сообщество было потрясено. И действительно, идея полноценного десктопного гейминга на портативной консоли казалась революционной.Однако...

Вакуумный упаковщик: преимущества и недостатки устройства

Вакуумный упаковщик стал полезным гаджетом на кухне, особенно если нужно сохранить подольше свежесть продуктов. Вакууматор выкачивает воздух, позволяя не контактировать продукт с кислородом,...

P2P-сети, доверие и безопасность. Почему в Биткоин-сетях все по-честному

Хранится ли Биткоин у кого-то на компьютере? Уже выяснили, что нет. Есть ли какое-то физическое воплощение — часто рисуют золотые монетки с чеканкой? Тоже нет. А что все-таки...