Физики впервые запечатлели странную фрактальную бабочку из электронов
Ученым впервые удалось детально рассмотреть предсказанный почти 50 лет назад фрактальный узор в форме бабочки, обусловленный необычной конфигурацией магнитных полей. Результаты экспериментов увидели свет в Nature.
В 1976 году информатик Дуглас Хофштадтер, который тогда был студентом-физиком, предсказал, что если поместить определенные двумерные кристаллы в магнитные поля, то энергетические уровни их электронов образуют узор, который выглядит одинаково независимо от масштаба — фрактал. Но для этого атомы кристалла должны быть расположены невероятно близко друг к другу.
Первые намеки на самоподобный рекурсивный энергетический спектр, известный теперь как бабочка Хофштадтера, увидели в 2013 году в плоском листе нитрида бора — но точно определить энергии электронов тогда экспериментаторам не удалось.
Профессор Али Яздани из Принстонского университета и его коллеги впервые подробно измерили бабочку Хофштадтера, используя два скрученных слоя графена.
Когда один слой графена поворачивается поверх другого под определенным (магическим) углом, он создает уникальные повторяющиеся структурные узоры и магнитные поля, которые могут привести к неожиданным свойствам, таким как сверхпроводимость. Эти условия аналогичны тем, что были в первоначальном предсказании Хофштадтера, но сильные магнитные поля искажают электроны графена, делая невозможным их детальное измерение с помощью электронного микроскопа.
Ученые экспериментировали со вторым магическим углом, который приводит к более широким повторяющимся узорам, когда поняли, что он создает не такие сильные магнитные поля и оставляет электроны доступными для измерений, что позволило команде получить подробные данные об их энергиях.
«То, что мы смогли работать с такими слабыми магнитными полями и провести этот эксперимент, стало удачным стечением обстоятельств, которого никто ожидал», — признался Яздани.
«Эта замечательная история продемонстрировала силу предсказаний, которой мы обладаем. Мы действительно понимаем фундаментальные законы поведения электронов настолько хорошо, что можем сделать предсказание, и даже если на его проверку уходит 50 лет, в конце концов оно подтверждается», — прокомментировал Йоханнес Лишнер из Имперского колледжа Лондона.
«Я очень доволен основными выводами статьи, — заявил Хофштадтер. — Я оставил физику около 50 лет назад, поэтому не могу дать профессиональных оценок. Само собой, я всегда рад, когда появляются эмпирические подтверждения явления, которое я предсказал еще в 1976 году».
