It kā planēta būtu zaudējusi kontroli pār savu debesīm. Titans izrādījās ne tikai noslēpumains — šķiet, ka tas ir pārkāpis astrofizikas kanonus
Satura rādītājs
Saturns pavadonis Titans jau sen piesaista zinātnieku uzmanību ar savu blīvo atmosfēru, kas atgādina Zemes atmosfēru. Bet tagad ir noskaidrots, ka tā atmosfēras uzvedība ir pretrunā ar planetologu pamatgaidām.
Iedomājieties: jūs esat zinātnieks, un jums šķiet, ka esat uz sliekšņa lielam atklājumam. Fenomens, ko jūs novērojat, var pilnībā mainīt mūsu priekšstatus par matērijas uzvedību fundamentālā līmenī.
Aptuveni tādas sajūtas, iespējams, piedzīvoja fiziķi no Japānas pētniecības institūta RIKEN, kad saskārās ar ļoti noslēpumainu elektronu uzvedību. Bet, kā tas bieži notiek zinātnē, ceļš uz patiesību izrādījās līkumots, un rezultāts — negaidīts, bet ne mazāk vērtīgs.
Tātad, kas ir šis brīnums — spontāna simetrijas pārkāpšana?
Lai saprastu Kristofera Batlera komandas no RIKEN Emerģento materiālu zinātnes centra atklājumu būtību, vispirms jāizprot viens no mūsdienu fizikas galvenajiem jēdzieniem — simetrija. Vispārīgākā nozīmē sistēma ir simetriska, ja tā paliek nemainīga jebkādu pārveidojumu gadījumā. Piemēram, ideāla lode izskatās vienādi, kādu to arī pagrieztu.
Bet kas notiek, ja šī ideālā simetrija pēkšņi tiek pārkāpta? Un nevis ārējas ietekmes dēļ, bet it kā pati no sevis? Tas ir spontāns simetrijas pārkāpums (SSP). Kristofers Batlers trāpīgi norāda, ka šis fenomens ir “fundamentāli svarīgs un ir fāzu pāreju fizikas pamatā”.
Vienkāršāk sakot, SSS ir daudzu procesu pamatā: sākot no banālas ūdens sasalšanas, kad haotiski kustīgās šķidruma molekulas pēkšņi izveido sakārtotu kristālisku režģi (pārkāpjot sākotnējo telpas simetriju), līdz daudz eksotiskākām lietām. Atceraties slaveno Higsa bozonu, “Dieva daļiņu”? Tiek uzskatīts, ka tieši pateicoties mehānismam, kas saistīts ar SCS, daļiņas agrīnā Visumā ieguva masu.
Klasisks piemērs, ko min, lai ilustrētu SCS, ir bumbiņa, kas balansē uz ideāli simetriskas kalna virsotnes. Kamēr tā atrodas augšā, sistēma ir simetriska. Bet vismazākā traucējuma gadījumā bumbiņa noguls uz leju, izvēloties kādu nejaušu virzienu, tādējādi pārkāpjot sākotnējo simetriju. Tajā pašā laikā fizikas likumi, kas regulē tās kustību, paši par sevi nenodrošina nekādu priekšroku kādam virzienam!
STM novērotās ZrSiS virsmas zonas pārskats. (a) ZrSiS struktūra, kas parāda lūzuma plakni (pelēkā krāsā), attēlota ar vesta [41]. (b) Aprēķinātā virsmas zonu struktūra, kur telpisko zonu projekcija uz virsmu attēlota pelēkā krāsā, bet virsmas zonas — violētā krāsā. Marķieru relatīvais izmērs atspoguļo relatīvo viļņu funkcijas svaru, kas projicēts uz virsmu. Norādīta peldošā virsmas zona (SB), kā arī divas gandrīz plakanas virsmas zonas daļas, kas rada van Hova tipa īpatnības (vH1 un vH2). (c) Tunelēšanas vadītspējas līknes [dI / dV(V)], kas iegūtas magnētiskajā laukā B = 12 T un nulles laukā, parādot LL parādīšanos pie E_F ( V = 50 mV, I_set = 50 pA, V_mod = 0,5 mV). Līkne 12 T ir nobīdīta vertikāli par 0,2 nS. vH1 un vH2 īpatnības ir atzīmētas un atbilst tām, kas redzamas (b). (d) Normētā vadītspēja L(r, V = 10 mV), iegūta 150 x 150 nm² skata laukā (V = 50 mV, I_set = 500 pA, V_mod = 5 mV), kas parāda modulācijas kvazidaļiņu interferences dēļ. (e) Fūrija transformācija attēlam (d), simetrizēta atbilstoši sagaidāmajai virsmas simetrijai C_4v. Atgriezeniskā režģa maksimums ir atzīmēts ar melnu kvadrātu. Divas kvazidaļiņu izkliedes vektori, kas saistīti ar virsmas zonu, ir atzīmēti kā q1 un q2. (f) Izoenerģētiskā kontūra attēls virsmas zonā pie E_F (tilpuma zonas nav ņemtas vērā). Parādīti avoti q1 un q2, kad izkliede notiek virsmas zonas kabatās un starp tām.
Elektronu «viļņi» vienā virzienā: gandrīz gadsimta atklājums?
Butlera komanda tieši medīja SNC izpausmes, bet ne Visuma mērogā, bet elektronu pasaulē, šo sīko strādnieku, kas nosaka materiālu īpašības. Atklāt SNC elektronu kolektīvajā uzvedībā ir tas pats, kas atrast jaunu atslēgu eksotisko vielu stāvokļu, piemēram, supravadītspējas vai neparastu magnētisko īpašību, izpratnei.
Un šķiet, ka veiksme smaidīja pētniekiem. Pētot cirkonija-silīcija sulfīda kristālu virsmu ar skenējošo tunelēšanas mikroskopu, viņi pamanīja kaut ko neticamu. Elektroni uzvedās tā, it kā būtu aizmirsuši savu “elektronisko” brīvību un pārvietojās galvenokārt gar vienu asi. “Mēs bijām ārkārtīgi pārsteigti un satraukti,” atceras Batlers. “Tas bija tā, it kā jūs būtu iemetis akmeni dīķī un redzētu, ka viļņi izplatās tikai pa kreisi un pa labi, nevis visos virzienos.” Ainava patiešām izskatījās kā “neapstrīdams pierādījums CNS elektroniskā šķidrumā”. Iedomājieties zinātnieku sajūsmu!
Trauksmes zvani un desmit nedēļas zem mikroskopa
Tomēr eiforija ilga neilgi. Zinātnē, tāpat kā labā detektīvromānā, velns slēpjas detaļās. Batlers un viņa kolēģi pamanīja vienu dīvainību: simetrijas pārkāpuma pakāpe, proti, cik skaidri elektroni priekšroku deva vienam virzienam, mainījās no parauga uz paraugu. Un tas jau nebija līdzīgs patiesam SNS, kam jābūt sistēmas pamatīpašībai, nevis atkarīgam no konkrēta kristāla, ja tas, protams, ir ideāls.
Un tieši šeit sākās visgrūtākais darbs. Fiziķiem nācās veikt, kā viņi paši izteicās, “ļoti darbietilpīgus mērījumus”. Tas nav joks — desmit nedēļas nepārtraukti novērot aptuveni simts vienu un to pašu atomu uzvedību! Tas prasīja neticamu iekārtu stabilitāti un milzīgu pacietību.
Kvazidaļiņu interferences vizualizācija gareniski polarizētos LL. (a), (b) Normatīvās vadītspējas attēli, izmērīti tajā pašā 80 x 80 nm² skata laukā, pie B = 12 T (V = 50 mV, I_set = 500 pA, V_mod = 0,3 mV). (c), (d) Atbilstošie Fūriera transformācijas attēli. Izteiktie izkliedes signāli skavas veidā aptver tikai vienu atgriezeniskā režģa pīķu kopu katrai enerģijai, un izkliedes attēli, šķiet, ir saistīti ar pagriezienu par 90°. Kastes signāls ap q = 0 arī ir sadalīts skavas veida apakškopās, kas norāda uz izkliedi kabatas iekšienē. (e),(f) Avoti q1, a(b) un q2, a(b) izkliedes gadījumā kabatas zonā un starp tām.
Vaininieks atrasts: viltīga deformācija
Šo titānisku pūļu rezultāts izrādījās gan apbēdinošs, gan pamācošs. Izrādījās, ka elektronos nebija nekāda spontāna simetrijas pārkāpuma. Un noslēpumainā daļiņu uzvedība bija izraisīta… ar sīkākajām, gandrīz neredzamām deformācijām pašā kristāliskajā režģī. Šīs sīkās deformācijas, vai, zinātniskā valodā runājot, atlikušais spriegums (residual strain), radās jau paraugu izgatavošanas posmā.
«Mēs atklājām parādību, kas ārēji atgādināja SNC, bet patiesībā izrādījās viltojums, — konstatē Batlers. — Reālo materiālu nepilnīgā realitāte (sīkas, bet visur sastopamas deformācijas) spēja mums uzspiest ļoti pārliecinošu imitāciju.“ Būtībā šīs mikroskopiskās “nerūpīgums” kristālā radīja elektroniem sava veida izdalītas ”ceļus”, pa kuriem tiem bija vieglāk pārvietoties. Tas arī radīja ilūziju par simetrijas pārkāpumu.
Dalināšanās atkarība no parauga. (a) Dalināšanās selektīvās līknes dI / dV(V) dažādos magnētiskajos laukos pieciem dažādiem paraugiem, kas sakārtoti pēc dalināšanās enerģijas no mazākās līdz lielākajai. Asimetrija, kas novērota pie B = 12 T, ir vislielākā paraugam C4. Paraugam ar vislielāko sadalīšanos, kur B ≈ 12 T, dolīna sadalīšanās ir salīdzināma ar enerģijas attālumu starp LL. Pie B = 12 T LL ar atšķirīgu piepildījumu no dažādām dolīnām pastāv vienā un tajā pašā enerģijā. (b) Konusa modelis peldošai virsmas zonai. Šeit divi neekvivalenti ieleju kopumi attēloti zilā un sarkanā krāsā. (c) Stāvokļu blīvums, modelēts divām LL sērijām pie B = 12 T, veidots ar mainīgu ieleju sadalījumu 2δ_valley. (d) Modelētās līknes dI / dV(V) pie tādiem pašiem magnētiskajiem laukiem kā (a) sadalījumam 2δ_valley = 5,5 mV. (Salīdzināšanas ērtības labad izmantota apļveida funkcija.)
Nav SHS, bet arī noderīgi? Un tagad?
Šķiet, ka šī ir stāsts par vilšanos. Bet ne viss ir tik vienkārši. Pirmkārt, pats par sevi atklātais fenomens — mikrodeformāciju ietekme uz elektronu uzvedību — var atrast praktisku pielietojumu. Piemēram, tā saucamajā deformācijas inženierijā (strain engineering), kur mērķtiecīga sprieguma radīšana materiālos ļauj kontrolēt to elektroniskās vai optiskās īpašības. Iedomājieties, ka jūs nedaudz “saspiežat” vai “stiepat” kristālu, un tas sāk labāk vadīt strāvu vai spīdēt citā krāsā. Perspektīvas ir vilinošas!
Bet daudz svarīgāks ir cits Batlera secinājums. Šis pētījums liek apšaubīt dažus iepriekšējos darbus, kuros tika ziņots par SNC novērošanu elektroniskās sistēmās. “Daudzi rezultāti, tostarp daži ļoti skaļi, iespējams, būs jāpārskata,” saka viņš. “Ja kādā darbā tiek paziņots par elektroniskas uzvedības novērošanu ar simetrijas pārkāpumu, tagad pienākums pierādīt, ka tas nav izraisīts ar atlikušo deformāciju, ir uz autoriem.”
Būtībā RIKEN komanda ir paaugstinājusi prasības pierādījumiem šajā fizikas jomā. Tagad zinātniekiem, kuri paziņo par SNS atklāšanu, būs ļoti rūpīgi jāpārbauda savi paraugi, lai atklātu slēptus defektus un spriedzi, kas var imitēt meklēto efektu.
Medības turpinās
Neskatoties uz to, ka šoreiz “fantoma simetrija” apvedusi zinātniekus ap mums, Kristofers Batlers un viņa komanda neplāno padoties. Meklējumi pēc patiesiem piemēriem spontānai simetrijas pārkāpšanai elektroniskās kristālu šķidrumos turpinās. Jo katrs šāds atklājums ir solis uz dziļāku izpratni par pasauli, kurā mēs dzīvojam.
Un šī vēsture ir spilgts piemērs tam, kā darbojas zinātne. Tā ir pilna ne tikai ar triumfiem, bet arī ar kļūdām, negaidītiem pagriezieniem un rūpīgu faktu pārbaudi. Un pat “neveiksmīgs” atklājums var novest pie svarīgiem secinājumiem un padarīt zinātniskās zināšanas precīzākas un uzticamākas. Godīgi sakot, tas ir visinteresantākais zinātniskajā meklējumā!
