Бабочка Хофстадтера: неуловимую структуру впервые увидели через 50 лет
Ошибка в угле скручивания подарила физикам встречу с легендарной бабочкой.
Физики из Принстонского университета впервые смогли напрямую наблюдать энергетический фрактал, известный как « бабочка Хофстадтера », в квантовом материале — спустя почти полвека после его теоретического предсказания.
Это сложное и самоподобное энергетическое распределение впервые описал физик Дуглас Хофстадтер в 1976 году. Однако до сих пор его не удавалось увидеть в реальных материалах — лишь косвенные данные намекали на его существование.
Неожиданное открытие произошло в ходе исследований сверхпроводимости в скрученном двухслойном графене. Учёные случайно не попали в нужный угол скручивания, но именно это создало условия для наблюдения фрактального спектра. Вместо «магического угла» образовалась более длинная мoiré-периодичность, что дало идеальные условия для эксперимента.
«Это было полной неожиданностью», — признался один из авторов работы, аспирант Эндрю Накколлс. Постдоктор Диллон Вонг добавил: «Мы собирались изучать сверхпроводимость, но неосознанно создали идеальные условия для “бабочки”.»
Решающим инструментом стал сканирующий туннельный микроскоп (STM), способный фиксировать тончайшие квантовые токи на уровне отдельных атомов. С его помощью учёные заметили необычные энергетические уровни электронов, совпадающие с предсказаниями Хофстадтера.
«STM позволяет напрямую измерять энергетические уровни и связать их с расчётами Хофстадтера», — объяснил постдоктор Мёнгчхул О.
До этого о существовании бабочки можно было судить только по измерениям электрического сопротивления. Теперь её удалось буквально увидеть.
Эксперимент также показал важность взаимодействия между электронами — фактор, который не учитывался в оригинальной модели 1976 года. Уточнённая модель оказалась точнее и богаче с точки зрения топологических состояний.
«Это невероятно насыщенный спектр топологических фаз. Возможность наблюдать их напрямую — важный шаг к пониманию квантовых материалов», — отметил аспирант Майкл Шир.
Хотя прямых приложений у открытия пока нет, оно открывает путь к новым исследованиям в области квантовой физики и материаловедения.