Ученые впервые увидели квантовую бабочку

Физики из Принстонского университета впервые экспериментально зафиксировали квантовый фрактал, предсказанный почти полвека назад. Исследователи подтвердили существование "бабочки Хофштадтера" - самоповторяющегося узора, формируемого энергетическими уровнями электронов в особом классе квантовых материалов. Работа опубликована в журнале Nature.

Фракталы представляют собой структуры, повторяющиеся на разных масштабах. Они широко распространены в природе - от снежинок и папоротников до береговых линий и системы кровеносных сосудов. Однако в квантовой физике такие явления встречаются крайне редко.

В 1976 году физик Дуглас Хофштадтер предсказал, что электроны в двумерных кристаллах под воздействием сильного магнитного поля могут образовывать фрактальный энергетический спектр, напоминающий узор крыльев бабочки. Этот эффект оставался теоретическим предположением, пока недавно группе ученых не удалось зафиксировать его экспериментально.

Прорыв стал возможен благодаря новым технологиям управления расположением атомов. Исследователи сложили два слоя графена под определенным углом, что создало уникальную структуру, подходящую для изучения электронных состояний.

"Ранее такие кристаллы уже исследовались, но их энергетический спектр оставался недоступным", - пояснил руководитель работы, профессор Али Яздани.

Интересно, что команда не стремилась обнаружить "бабочку Хофштадтера". Первоначально ученые изучали сверхпроводимость графеновых структур, однако случайно создали материал с необычным периодическим узором. Именно это "ошибочное" расположение атомов позволило зафиксировать фрактальный энергетический спектр.

"Иногда природа сама подсказывает, куда смотреть", - отметил один из авторов исследования, Кевин Накколс.

Для наблюдения феномена ученые использовали сканирующий туннельный микроскоп, который позволил напрямую измерить энергию отдельных электронов. В отличие от предыдущих методов, основанных на измерении сопротивления, этот подход дал возможность непосредственно визуализировать фрактальную структуру энергетических уровней, подтвердив теоретические предсказания.

"Это один из редких случаев, когда сложную квантовую проблему удается решить точно, без приближений", - подчеркнул соавтор работы Менчул О.

Хотя практическое применение открытия пока не найдено, оно открывает новые возможности для изучения топологических состояний материи и электронных взаимодействий.