Ученые впервые визуализировали скрытые атомные колебания, влияющие на квантовые технологии

Ученые визуализировали скрытые атомные колебания, влияющие на квантовое поведение, подтвердив давние теории и открыв путь к более точному проектированию материалов. Фото: AI/ScienceDaily.com

Исследователи, изучающие явления атомного масштаба, которые влияют на электронику и квантовые устройства нового поколения, впервые получили микроскопические изображения тепловых колебаний атомов. Это открытие раскрыло новый тип движения, который может изменить подход к проектированию квантовых технологий и ультратонкой электроники.

Ичжао Чжан, доцент кафедры материаловедения и инженерии Университета Мэриленда, разработал метод электронной микроскопии для прямой визуализации «мозаичных фазонов» — физического явления, влияющего на сверхпроводимость и теплопроводность в двумерных материалах для устройств будущего. Статья об исследовании, в которой впервые зафиксированы изображения тепловых колебаний отдельных атомов, была опубликована 24 июля в журнале Science.

Двумерные материалы — это слоистые структуры толщиной в несколько нанометров, которые рассматриваются как ключевые компоненты квантовых и электронных устройств нового поколения. Особенностью скрученных двумерных материалов являются «мозаичные фазоны», критически важные для понимания их теплопроводности, электронных свойств и структурного порядка. Ранее эти фазоны было сложно обнаружить экспериментально, что ограничивало прогресс в разработке материалов, способных революционизировать квантовые технологии и энергоэффективную электронику.

Команда Чжана преодолела эту проблему, применив новый метод — «электронную птихографию», достигнув рекордного разрешения (менее 15 пикометров) и зафиксировав размытие отдельных атомов, вызванное тепловыми колебаниями. Исследование показало, что пространственно локализованные мозаичные фазоны доминируют в тепловых колебаниях скрученных двумерных материалов, что кардинально меняет представления ученых об их влиянии.

Этот прорыв подтвердил давние теоретические предсказания о мозаичных фазонах и впервые продемонстрировал, что электронная птихография позволяет с атомной точностью картировать тепловые колебания — ранее это было недостижимо экспериментально.

«Это как расшифровка скрытого языка атомного движения, — говорит Чжан. — Электронная птихография позволяет нам напрямую наблюдать эти тонкие колебания. Теперь у нас есть мощный метод для изучения ранее недоступной физики, что ускорит открытия в области двумерных квантовых материалов».

Следующим шагом команды Чжана станет изучение влияния дефектов и границ раздела на тепловые колебания в квантовых и электронных материалах. Контроль над этим поведением может привести к созданию устройств с заданными тепловыми, электронными и оптическими свойствами, открывая новые возможности для квантовых вычислений, энергоэффективной электроники и наноразмерных сенсоров.

Источники: ScienceDaily, Университет Мэриленда.