Использование математики для объяснения природыДоктор Далла Торре, преподаватель кафедры физики Университета Бар-Илан в Израиле, говорит, что согласно квантовой механике электроны могут обладать волнообразными свойствами. «Форма волны, однако, не всегда очевидна и имеет тенденцию меняться в зависимости от состояния материала, в котором находится электрон», — говорит Далла Торре.«Изобретение в начале 1980-х СТМ — микроскопа с исключительно высоким разрешением — впервые предоставило возможность рассматривать отдельные атомы в материалах.
Тем не менее, до сих пор ученые рассматривали форму электрона только в изолированные атомы — в вакууме — но не внутри сложного материала, содержащего огромный массив атомов, где очертания каждого электрона неразличимы », — объясняет Далла Торре.«Мы разработали математический алгоритм, который помог нам проанализировать высокоточные СТМ измерения купратов — медно-кислородных соединений, которые, как известно, обладают лучшими сверхпроводящими свойствами. Выявив повторяющиеся корреляции между ранее незамеченными экспериментальными точками данных, мы смогли восстановить форму электронов в этих чудесных материалах », — говорит он.
Кто боится теоретической физики?«Форма, которую мы обнаружили (как показано на прилагаемой фотографии), содержит положительные (синий) и отрицательный (красный) области. Электроны подвешены в упорядоченной структуре атомов: синие кружки указывают на атомы кислорода, а розовые кружки — на медь. «Впервые в истории мы выделили и подтвердили уникальную форму электрона в сложном материале», — объясняет Далла Торре, добавляя: «Интересно, что эта форма точно совпала с предсказаниями, сделанными в 1988 году физиками-теоретиками Чжаном и Райсом из ETH. — Университет науки и технологий в Цюрихе ».
Кроме того, благодаря раскрытию ранее неизвестной информации открытие Далла Торре и его коллег позволило им также дать последовательное объяснение нескольким загадочным экспериментам, впервые проведенным в 2002 году профессором Симусом Дэвисом из Корнельского университета и его ученицей профессором Дженнифер Хоффман. из Гарвардского университета, который с помощью СТМ выявил повторяющиеся паттерны атомной яркости в купратах.На протяжении многих лет многочисленные исследователи предлагали интерпретации этих результатов и других связанных неоднозначных наблюдений, но до сих пор не было удовлетворительного объяснения таинственным повторяющимся сигналам. Далла Торре и его коллеги подозревали, что это связано с формой электронов, и, когда они нанесли на карту эти формы в купратах, они смогли предложить простое объяснение наблюдению.
Случайный поиск новых материалов — например, выпечка торта без рецепта.«Сверхпроводники — это материалы, которые при комнатной температуре почти не проводят электричество. Однако при охлаждении ниже определенной температуры — критической температуры — они превращаются в супергероев и проводят электрические токи без какого-либо сопротивления, без нагрева или плавления. Они Поэтому материалы очень востребованы из-за их потенциального использования в различных технологиях следующего поколения », — объясняет Далла Торре.
«Самая высокая критическая температура сверхпроводников, обнаруженных до сих пор, — это температура купратов, которые требуют охлаждения до -135 ° C, чтобы стать сверхпроводящими. Затраты, связанные с охлаждением до этих температур, непомерно высоки, что объясняет продолжающийся поиск Святой Грааль — максимально возможная критическая температура, обеспечивающая экономическую жизнеспособность », — говорит Далла Торре. «Из-за отсутствия эффективной методологии поиска новых сверхпроводящих материалов лаборатории во всем мире прибегают к случайным испытаниям элементов в надежде найти идеального кандидата», — говорит он. «Это как испечь торт без рецепта: вы надеетесь, что он получится пушистым, но не знаете, какие ингредиенты могут повлиять на жесткость».Легкое упражнение с голограммой
Знаете ли вы, что голограмма — это не настоящее изображение? Это закодированный узор, основанный на особой характеристике света.
Мы смотрим на 2D-изображение, которое наши глаза конвертируют в 3D. Далла Торре и его коллеги применили логику голограммы, чтобы получить информацию о трехмерном объекте из измерений двумерной поверхности. Получив всю информацию, закодированную при измерении купрата методом 2D СТМ, они визуализировали форму электрона.Прокладывая путь к будущим открытиям
Некоторые считают электроны «душой» материала, определяющей его цвет, проводимость и всю химическую активность. Далла Торре ожидает, что этот инновационный метод декодирования форм электронов позволит создавать более интеллектуальные материалы, подходящие для постоянно меняющихся технологий будущего. «Получив лучшее понимание поведения материалов, ученые могут оказаться на пути к поиску следующего сверхпроводника», — говорит он.