Za wielkim sukcesem stoją przedstawiciele Uniwersytetu w Princeton, którym udało się zmierzyć poziomy energii elektronów w słabo poznanym rodzaju materiału kwantowego. Kulisy i konsekwencje tego długo oczekiwanego postępu zostały opisane szerzej na łamach Nature.
Wspomniany motyl Hofstadtera ma postać wzoru, który został zwizualizowany w ramach przełomowego eksperymentu. Ten wykorzystał dwie warstwy grafenu, które zostały skręcone względem siebie. Dzięki temu arkusze ustawiły się w konfiguracji mającej postać heksagonalnego wzoru. Określany mianem prążków moiré, towarzyszy nam zaskakująco często, choćby w postaci szumów pojawiających się na ekranach LCD.
Autorzy nowych badań dostrzegli widmo typowe dla motyla Hofstadtera, gdy elektrony poruszające się w kryształach były poddawane działaniu pola magnetycznego. Wykorzystując metodę mikroskopii kwantowej członkowie zespołu badawczego uwiecznili to, co było przewidywane teoretycznie prawie pięćdziesiąt lat wcześniej. Autorem ówczesnych ustaleń był Douglas Hofstadter, który sugerował, jakoby poziomy energii elektronów uwięzionych w dwuwymiarowych kryształach pod wpływem silnego pola magnetycznego miały tworzyć charakterystyczne fraktalne widmo energii.
Generowany w takich okolicznościach wzór, naniesiony na wykres energii i pola magnetycznego, może przywodzić na myśl efektownego motyla. Taki wzór ma formę fraktala, który pojawia się w różnych skalach. O ile w naturze taki fenomen jest stosunkowo powszechny, tak gdy mówimy o świecie kwantowym, to okazuje się on zdecydowanie rzadziej spotykany.
Motyl Hofstadtera został przewidziany w 1976 roku. Teraz naukowcy dostrzegli go w czasie obserwacji poświęconych skręconym warstwom grafenu
I choć działania mające na celu wizualizację motyla Hofstadtera trwały od dekad, to dopiero teraz przyniosły długo oczekiwane rezultaty. Kolorytu całej historii dodaje fakt, iż odkrycie… nastąpiło nieco przypadkowo. Stojący za nim fizycy próbowali jak najlepiej zrozumieć nadprzewodnictwo w skręconych warstwach grafenu, lecz okazało się, że dokonali nawet bardziej niesamowitej obserwacji: widma Hofstadtera.
Czytaj też: Milion impulsów na sekundę rewolucjonizuje fizykę. Ten układ rozwiązuje kluczowy problem
Niestety, jak na razie nie ma mowy o praktycznych korzyściach płynących z ostatnich dokonań naukowców. Takowe mogłyby jednak dotyczyć ogółu dziedziny, ponieważ autorzy tych badań odnotowali, że teoretyczne modelowanie widma poprawiło się przy uwzględnieniu zjawisk związanych z elektronami oddziałującymi ze sobą. Wcześniej było ono pomijane, co pokazuje, że najwyraźniej było to błędem i być może jego naprawienie doprowadzi do przełomu w kontekście innych eksperymentów. Z tego względu ostatnie doniesienia mogą być wyjątkowo istotne.