Физики поймали электроны в трехмерном кристалле
На это их вдохновило японское искусство плетения корзин
Американские физики создали кристалл на основе сплава кальция и никеля CaNi2 и обнаружили в нем трехмерную плоскую зону проводимости. Ее возникновение стало возможным благодаря структуре кристаллической решетки, напоминающей узор кагоме — японского искусства плетения корзин. О своем открытии ученые сообщили в статье в Nature.
Материалы с плоскими зонами проводимости обладают квантовыми состояниями с затухающей кинетической энергией. Эти плоские зоны часто способствуют усиленным эффектам электронной корреляции и возникновению квантовых фаз вещества. Волна интереса к этим материалам возникла после их экспериментальной реализации в гетероструктурах ван-дер-Ваальса и квазидвумерных кристаллах. Ранее группа ученых из MIT обнаружила, что в металлах с тришестиугольной решеткой кагоме — названной так по аналогии с узором в традиционном японском плетении корзин — тоже возникают плоские запрещенные зоны. Однако ученые обнаружили, что электроны, захваченные в двух измерениях, могут легко покинуть третье измерение, что затрудняет поддержание состояний в плоской зоне.
Теперь Джошуа Уэйкфилд (Joshua P. Wakefield) с коллегами из той же группы из Массачусетского технологического института показали, что в трехмерных кристаллах с решеткой кагоме возникают плоские электронные зоны, в которых электроны могут быть захвачены во всех трех измерениях. Для этого ученые создали кристаллы на основе сплава кальция и никеля, которые содержат структуру решетки пирохлора. Затем физики измерили энергии электронов в этих кристаллах при помощи фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением. Они обнаружили, что в подавляющем большинстве электроны кристалла обладают одинаковой энергией, что подтверждает наличие плоской зоны у трехмерного материала.
Однако обнаруженные в этом кристалле электронные полосы оказались значительно ниже уровня Ферми, что уменьшает их возможное влияние на низкоэнергетические свойства вещества. Смещение этих зон ближе к уровню Ферми могло бы привести к нарушениям симметрии с возникновением экзотических фаз. Чтобы проверить возможность манипулирования электронными зонами, физики заменили атомы никеля атомами родия (Rh) и рутения (Ru) при сохранении структуры кристалла. Это действительно сместило электронные зоны ближе к уровню Ферми, что значительно изменило свойства кристалла. В частности, исследователи обнаружили, что кристалл Ca(Rh1—xRux)2 оказался сверхпроводником с критической температурой 6,2 кельвин.
Ученые отмечают, что дальнейшее изучение и настройка таких структур может пролить свет на взаимодействие электронной корреляции, электрон-фононного взаимодействия и плоскозонных состояний в этом семействе материалов. В частности, это может привести к созданию сверхпроводимости при более высоких температурах. Впрочем, в последнее время создателей сверхпроводников при комнатной температуре преследуют неудачи вплоть до отзыва статей из научных журналов.
Гравитация Земли притягивает атомы антивещества
Физики из ЦЕРНа выяснили, что гравитация Земли притягивает атомы антивещества. Для этого они провели высокоточный эксперимент при помощи установки ALPHA-g, в котором наблюдали направление движения атомов антиводорода в вертикальном направлении. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Nature. Для каждой частицы существуют античастицы. Они обладают той же массой, но противоположны по электрическому заряду и другим числам, характеризующим взаимодействие. Физики уже научились не только получать отдельные частицы антивещества, но и собирать их в атомы антиматерии, накапливать эти атомы в магнитных ловушках и даже охлаждать при помощи лазера. Самым простым атомом антивещества является антиводород, в состав которого входят антипротон и позитрон — античастица для электрона. Атомы антиводорода активно изучают — например, физики из коллаборации ALPHA наблюдали в этих атомах позитронный переход между основным и первым возбужденным состоянием. Измеренная частота перехода в том эксперименте с высокой точностью совпала со значением для обычного водорода. Более подробно о том, что такое антиматерия, читайте в нашем материале «С точностью до наоборот». Перед учеными стоит множество нерешенных вопросов касательно антивещества. Одна из самых больших задач физики современности — асимметрия вещества и антивещества во Вселенной — до сих пор не решена. Помимо этого, физиков интересует, как антивещество ведет себя в гравитационном поле. В рамках теории никакой антигравитации для антивещества не ожидается, однако этот вопрос требует экспериментальной проверки. Наконец, развитие технологии показало принципиальную возможность провести такой эксперимент, однако чувствительности детектора ранее не хватало, чтобы однозначно ответить на этот вопрос. Физики из эксперимента ALPHA, расположенного в ЦЕРНе, провели новый эксперимент с атомами антиводорода, пойманными в магнитную ловушку в вертикально ориентированной установке ALPHA-g. Принцип эксперимента прост: необходимо накопить атомы антиводорода в вертикальной магнитной ловушке, аккуратно открыть верхний и нижний потенциальные барьеры и наблюдать по аннигиляционным вспышкам на стенках установки, как под действием гравитации будут двигаться атомы антиводорода. Эти вспышки регистрируются время-проекционной камерой. По разности количества взаимодействий вверху и внизу установки можно определить, действует ли на антиводород гравитация, и в какую сторону. При этом, атомы антиводорода находятся в магнитной ловушке не в покое, а с небольшой начальной кинетической энергией. Физики провели компьютерное моделирование и выяснили, что из-за этого только порядка 80 процентов атомов антиводорода должны регистрироваться внизу от ловушки, а остальные — вверху, в случае, если гравитация тянет атомы антивещества к Земле. Ученые отмечают, что основная проблема в подобном эксперименте — наличие паразитного магнитного поля, которое создает дополнительную силу, действующую на атомы антиводорода в вертикальном направлении. Магнитное поле величиной 4,53×10-4 тесла между магнитами в установке ALPHA-g будет создавать силу, сравнимую с силой гравитации Земли. Поэтому и точность измерения магнитных полей внутри установки должна быть сопоставима с этой величиной. С другой стороны, специально создавая градиент магнитных полей внутри ловушки, физики смогли прокалибровать детектор и определить геометрическую область внутри детектора, где ожидается сигнал от аннигиляции атомов антиводорода на стенках установки. Физики провели серию измерений, меняя приложенную дополнительную силу при помощи магнитного поля от −3 до 3 g. Каждый раз ученые подсчитывали количество аннигиляционных вспышек, зарегистрированных вверху и внизу установки, и рассчитывали вероятность зарегистрировать атомы антивещества снизу от установки для каждого эксперимента. В результате ученые определили, что гравитация действительно действует на атомы антиводорода (вероятность ошибки не более 2,9*10-4), при этом гравитация Земли действует на атомы антиводорода с силой 0,75 ± 0,13 (статистическая и систематическая ошибка) ± 0,16 (ошибка компьютерного моделирования) от g. Результат ученых с учетом ошибок согласуется с предположением, что гравитация действует на атомы антиводорода аналогично обычному веществу — тянет по направлению к Земле. Вероятность того, что гравитация Земли отталкивает антивещество с силой 1 g, оказалась пренебрежимо малой: менее 10-15. В этом эксперименте физикам удалось отклонить гипотезу, что гравитация отталкивает антивещество с силой 1 g. Ранее мы писали, как ученые планируют решать другую загадку антивещества — проблему асимметрии материи и антиматерии при помощи гравитационных волн.
