Учёные впервые засняли тепловые колебания атомов в квантовых материалах

Иллюстрация экспериментального измерения тепловых колебаний в отдельном атоме. Автор: Ичао Чжан и др.

Исследователи, изучающие атомарные явления, влияющие на электронику и квантовые устройства нового поколения, впервые получили микроскопические изображения тепловых колебаний атомов. Это открытие может изменить подход к проектированию квантовых технологий и ультратонкой электроники.

Ичао Чжан, доцент кафедры материаловедения и инженерии Университета Мэриленда, разработал методику электронной микроскопии для прямой визуализации «мозаичных фазонов» — физического явления, влияющего на сверхпроводимость и теплопроводность двумерных материалов, используемых в устройствах будущего.

Статья об этом исследовании, в которой впервые задокументированы изображения тепловых колебаний отдельных атомов, опубликована в журнале Science.

Двумерные материалы — это ультратонкие структуры толщиной в несколько нанометров, которые рассматриваются как компоненты квантовых и электронных устройств нового поколения. Ключевой особенностью скрученных двумерных материалов являются «мозаичные фазоны», критически важные для понимания их теплопроводности, электронных свойств и структурного порядка.

Ранее мозаичные фазоны было крайне сложно обнаружить экспериментально, что препятствовало дальнейшему изучению материалов, способных революционизировать квантовые технологии и энергоэффективную электронику.

Команда Чжана преодолела эту проблему, применив новую методику — «электронную птохографию», которая обеспечила рекордное разрешение (менее 15 пикометров) и позволила зафиксировать размытие отдельных атомов, вызванное тепловыми колебаниями.

Исследование показало, что пространственно локализованные мозаичные фазоны доминируют в тепловых колебаниях скрученных двумерных материалов, что принципиально меняет представления учёных об их влиянии.

«Это как расшифровка скрытого языка атомных движений, — пояснил Чжан. — Электронная птохография позволяет нам непосредственно наблюдать эти тонкие колебания. Теперь у нас есть мощный инструмент для изучения ранее недоступной физики, что ускорит открытия в области двумерных квантовых материалов».

В дальнейшем команда планирует исследовать, как тепловые колебания зависят от дефектов и границ раздела в квантовых и электронных материалах. Контроль над этим поведением может привести к созданию устройств с заданными тепловыми, электронными и оптическими свойствами, что откроет новые возможности в квантовых вычислениях, энергоэффективной электронике и наносенсорах.

Подробнее: Ичао Чжан и др., Atom-by-atom imaging of moiré phasons with electron ptychography, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adw7751. Источник: University of Maryland