Kvant materiallari: Electronlar qanday muz kristallari kabi o'zini tashkil qiladi?
Mana shunday tasavvur qiling: bir stakan muzli suvni tomosha qilyapsiz. Suvning ichida ajoyib bir narsa sodir bo'lyapti. Muz erimayapti — aksincha, kichkina kristallar paydo bo'layapti. Ular atrofga tarqaladi — qish oynasidagi-qator.
Endi buni atom miqyosida tasavvur qiling. Electronlar — atomlar atrofida aylanadigan kichkina salbiy zaryadli zarrachalar — o'zlarini maxsus tartibda joylashmoqda. Va eng qiziq joyi shuki, ular suyuqlikdagi muz kristallari singari shakllanadi.
Bu fizikning xayolidagi narsa emas. Bu MIT laboratoriyasida ro'y bergan, va tadqiqotchilar natijalarni Nature Physics jurnalida e'lon qilishdi.
Kvant materiallari nima o'zi?
Bir daqiqa ortga qaytaylik. "Kvant materiallari" atamasini eshitgan bo'lishingiz mumkin. Bular maxsus moddalar bo'lib, ulardagi electronlar odatiy materiallardagi kabi emas — deyarli sehrli ishlar qiladi. Ba'zilari o'tkazgich bo'lib qoladi — elektrni qarshiliksiz o'tkazadi (energiya issiqlik sifatida yo'qolmaydi!). Boshqalari g'alati magnit xossalari yoki hali to'liq tushunilmagan elektron holatlarini namoyon qiladi.
Nega bu muhim? Olimlar fikricha, shu kvant materiallari zamonaviy texnikani bolalar o'yinchoigadek qoldiradigan kompyuterlar va qurilmalar yaratish uchun kalit bo'lishi mumkin. Lekin muammo bor — bu materiallar qanday ishlashini tushunishimiz kerak.
MIT jamoasi, Professor Nuh Gedik boshchiligida, erbiy tritellurid nomli materialni o'rganishga qaror qildi. Bu kam uchraydigan birikma g'ayrioddiy elektron xulq-atvorga ega va electronlarning o'zini qanday tartibga solishini tushunish uchun ideal "o'yin maydonchasi" bo'lib chiqdi.
Electronlar shaxmat taxtasi
Mana bu yerda ish qiziq bo'ladi. Tadqiqotchilar erbiy tritelluridni ma'lum haroratlarga sovutganda, electronlar to'lqinli namunalar hosila qila boshladi — konsertdagi odamlar qator bo'lib turganiga o'xshaydi, lekin atom miqyosida. Olimlar bularni "zaryad zichligi to'lqinlari" deb ataydi.
Dastlab, minus 8 daraja Sovuqda sovutilganda, material bo'ylab ustun to'lqin namoyon bo'ldi. Bu fazaviy o'tish bosqichma-bosqich ro'y berdi — suvning bug'ga aylanishiga o'xshaydi. Silliq. Oldindan aytish mumkin. Fiziklar kutgandek.
Lekin keyin hayratlanarli narsa bo'ldi.
Materialni yana soviqtirib, minus 113 darajaga yetkazganda, ikkinchi to'lqin paydo bo'ldi — va u butunlay boshqacha harakat qildi. Silliq chiqish o'rniga, u izolyatsiyalangan nuqtalardan boshlandi va keyin tashqariga qarab kengaya bordi — aynan shunday, muz kristallari supersovutilgan suvda hosil bo'lgandek.
"Ikki faza qanday paydo bo'lishidagi farq bizni haqiqatan ham hayratda qoldirdi," tadqiqotchilar ta'kidladi. "Biri asta-sekin o'zgarish singari oqadi, ikkinchisi esa cho'ntaklarda paydo bo'ladi va tashqariga o'sadi."
Ikki to'lqin birgalikda deyarli atom miqyosidagi shaxmat taxtasiga o'xshash narsa hosil qiladi — bir to'lqin gorizontal, ikkinchisi vertikal, electronlar shaxmatdagi dona singari aniq nuqtalarda to'planadi.
Bu nima uchun muhim?
Endi siz o'ylashingiz mumkin — zo'r ilmiy tajriba, lekin menga nega kerak?
Mana nima uchun: o'tkazuvchanlik. Magnetizm. Texnikani inqilob qilishi mumkin bo'lgan g'ayrioddiy elektron xulq-atvor. Bularning barchasi electronlarning o'zaro muvofiqlashtirilgan tarzda tartibga solinishini o'z ichiga oladi, va zaryad zichligi to'lqinlari aynan shu turdagi jamoaviy elektron xulq-atvorning soddaroq versiyasidir.
"Zaryad zichligi to'lqinlari murakkabroq narsalarni tushunish uchun o'yin maydonchasi," deydi bosh muallif Yifan Su. "Ular o'tkazuvchanlikdan sodda, lekin electronlarning birga qanday harakatlanishining asosiy tamoyillarini o'rgatadi."
Jamoa materialni tekshirish va bu fazaviy o'tishlarni real vaqtda kuzatish uchun ultra tezkor lazer impulsidan foydalandi. Bu electronlarning kichik yig'ilishlarini filmga olish kabi — bir necha yil avval bu deyarli imkonsiz edi.
Professor Gedik shunday dedi: "Fizikadagi eng katta savollardan biri — nega ba'zi materiallar bir nechta fazani saqlashi mumkin, boshqalari esa yo'q. Va bir nechta faza mavjud bo'lganda, ular qanday o'zaro ta'sir qiladi? Bir-biriga yordam beradimi, raqobatlashadimi, yoki tinch yonma-yon yashaydimi? Bu murakkabroq materiallarni tushunish uchun bizning kuzatuv ishimiz."
Kelajak uchun bu nima anglatadi
Bu kashfiyotni fizik qutiga yangi asbob qo'shish sifatida tasavvur qiling. Electron fazalar qanday hosil bo'lishi va o'zaro ta'sir qilishini aniq tushunish bizni ularni nazorat qilishga bir qadam yaqinlashtiradi — va bu oxir-oqibat kvant materiallarini tasodifan kashf etish o'rniga, maqsadli ravishda maxsus xossalarga ega qilib loyihalashga olib kelishi mumkin.
Maqsad? Silikonning kompyuterlardan tortib energiya uzatish tizimlarigacha hamma narsada almashtirishi mumkin bo'lgan materiallar. Elektr simlarda mutlaqo yo'qolmay oqadigan, kvant kompyuterlar smartfonlar kabi keng tarqalgan, elektron qurilmalar esa hozir tasavvur qilganimizdan ham kuchliroq bo'lgan dunyoni tasavvur qiling.
Biz hali shu yerda emasmiz. Lekin har bir shu kabi tajriba yana bir qismni puzzlega qo'shadi. Va rostini aytganda? Electronlarning atom miqyosida o'zlariga kichkina muz kristallari namunalarini qurayotgani — bu shunchaki qiziq. Kvant dunyosi biz o'ylagandan ham g'ariq va ajoyib ekanligini eslatadi.
Ba'zan eng yaxshi fan muammolarni yechish haqida emas. Ba'zan esa — voqelikning biz hali bilmagan jumboqlarni allaqachon yechayotganini kashf qilish haqida.