Шукали 40 років: фізики виявили квантові шрами, це може назавжди змінити технології

Електрони хаотичні й демонструють двоїсту природу, тому вони зазвичай не поводяться впорядковано. Квантовий шрам — це явище, за якого рухомі електрони зрештою йдуть одним і тим самим повторюваним шляхом. Тепер фізики через 40 років після створення теорії про "квантові шрами" вперше спостерігали це явище. Дослідження опубліковано в журналі Nature, пише Popular Mechanics.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Фізики використовували мікроточки вуглецевого графена для першого спостереження передбаченого в 1984 році явища під назвою квантовий шрам. Захоплюючи електрони певним чином, фізики змогли побачити, як вони рухаються, а потім побачили, що цей рух продовжується передбачуваним чином. Ці передбачувані орбіти електронів відомі як шрами, і вони функціонують аналогічно тому, як люди в парку торують свої власні доріжки в траві, коли ходять одним і тим самим шляхом щодня.

Фізики описують квантові шрами як вікно в дивний квантовий світ. Електрони є своєрідними частинками серед інших субатомних частинок. Вони поводяться хаотично, а також демонструють корпускулярно-хвильовий дуалізм. Тобто можуть мати властивості частинки та хвилі.

Тому фізики давно намагалися виявити більш передбачувану поведінку електронів під час руху. Навіть усередині високоякісних провідних матеріалів електрони часто поводяться дуже хаотично і не переміщаються за ефективними траєкторіями. Винятком є випадки, коли траєкторія являє собою найшвидший шлях через твердий матеріал. Але в квантовому наномасштабі, при створенні квантових технологій, це не працює.

Термін "квантові шрами" було введено для опису того, як поведінка електрона може створити область із вищою щільністю ймовірності й змусити той самий електрон продовжувати слідувати цим шляхом знову і знову. Тепер фізики використовували нову технологію управління частинками, щоб вперше безпосередньо побачити квантові шрами.

Для цього вчені звузили своє дослідження до діраківських електронів. Вони є корисними у квантових дослідженнях через їхній дуже вільний та енергійний рух. І завдяки електронним мікроскопам їх легше вивчати.

Фізики помістили графенові квантові точки в контрольоване середовище. Ці точки являють собою нанорозмірні матеріали, виготовлені шляхом розміщення одного шару графену, який, як і алмази або графіт, є іншим форматом звичайних атомів вуглецю.

За словами фізиків, отримані точки поводяться як тверді матеріали або молекули, але мають нові властивості. Матеріал мав форму стадіону, і коли вчені сильно збільшили масштаб і подивилися згори, то вони побачили примарне зображення електрона, що повторює під час руху форму вісімки. Тобто електрон рухався передбачуваним чином і його рух був більш передбачуваним, ніж у будь-якого електрона, що вільно обертається.

Перш ніж таку поведінку електронів можна буде перетворити на придатні для використання технології, фізикам ще потрібно з'ясувати, які конкретні параметри та ситуації призводять до такої поведінки. За словами вчених, квантові шрами можуть назавжди змінити квантові технології, хоча ще може минути багато років, перш ніж почнеться практичне використання цього явища.

Як уже писав Фокус, фізики пояснили, чи можуть атоми, з яких складається вся видима матерія, торкатися один одного. Насправді, хоча це здається питанням із простою відповіддю, все набагато складніше.

Також Фокус писав про те, що NASA показало новий вертоліт для польотів на Марсі. Перший в історії вертоліт на Марсі вже не може літати, і в NASA зайнялися розробкою потужнішого літального апарату.