Американские ученые рассмотрели поведение отдельных атомов в решетке и выяснили, почему нам не удается создать высокотемпературные полупроводники.
Если попытаться рассмотреть атомы сквозь сверхмощный микроскоп, мы ничего не увидим: они перемещаются на огромной скорости, сливаясь в неразличимый туман. Чтобы что-нибудь рассмотреть, ученым Массачусетского технологического института (MIT) пришлось охладить атомы калия до температуры практически абсолютного нуля и, как только тепловое движение почти остановилось, – «рассадить» их по ячейкам оптической решетки. Такую систему создает интерференция пересекающихся лазерных лучей: энергетические пики и минимумы интерференционной картины – как нити и ячейки сети, в которые и «усаживаются» отдельные частицы. Лишь затем ученые сделали несколько сотен снимков под атомно-силовым микроскопом.
В статье, опубликованной журналом Science, авторы сообщают, что в участках решетки (обычно по краям), где атомы калия располагались довольно разреженно, они сохраняли определенное приличное расстояние друг между другом. Зато в более плотных скоплениях ближе к центру решетки они буквально слипались друг с другом, как близко поднесенные друг к другу магниты. И действительно: при этом атомы ориентировались так, чтобы их противоположные заряды чередовались.
В интервью пресс-службе MIT один из авторов работы Марк Цвирлайн (Martin Zwierlein) предлагает сравнить это поведение с человеческим. Например, в плотно населенных городах люди совершенно спокойно живут буквально на голове друг у друга. Зато где-нибудь в менее населенной местности на каждого приходится много пустого пространства.
На самом деле, работа была проведена для проверки некоторых аспектов работы принятой сегодня теоретической модели Бозе – Хаббарда, которая описывает взаимодействие бозонов и электронов на пространственной решетке и важна для понимания работы сверхпроводящих материалов. Сами электроны невозможно увидеть даже при температуре, близкой к абсолютному нулю, и атомы калия послужили ученым доступной для наблюдений моделью. По мнению Цвирлайна и его коллег, такое необычное «слипание» атомов при достаточно высокой плотности может отражать поведение электронов при комнатной температуре и с этим явлением могут быть связаны трудности в создании высокотемпературных сверхпроводников.
