Меня глубоко беспокоит явная неполнота проявления всего окружающего мира как в пространственном, так и во всем временном измерении. Раньше мы уже затрагивали тему знаменитого эксперимента с двумя щелями и ряд парадоксальных свойств загадочного субатомного мира, например, тот факт, что протон, по-видимому, способен к бесконечному существованию, в то время как нейтрон распадается лишь вне атомного ядра, с периодом полураспада около 10 минут. Как было отмечено в моей предыдущей работе «Вы снова здесь, изменчивые тени», подобные явления могут быть рационально объяснены при предположении, что элементарные частицы представляют собой проекции четырёхмерных объектов. Однако данное утверждение скорее относится к области фантазии, чем к научной гипотезе. Сегодня же я хотел бы поделиться информацией об иных необычных фермионах, обнаруженных и получивших название «электроны Дирака».
Характерной особенностью электронов Дирака является приобретение массы только в процессе движения. Поиск истинной природы этих частиц, вероятно, потребует пересмотра наших представлений об электронах и фотонах.
«Электроны Дирака» — это обычные электроны, попадающие в такое состояние, при котором электрон теряет массу и поэтому приобретает возможность двигаться со скоростью света. При этом фотоны развивают скорость света в вакууме, а электроны Дирака могут двигаться со скоростью света в твердых материалах, например в графеновых плёнках. Поль Дирак спрогнозировал существование таких частиц ещё в 1928 году, а впервые обнаружены они были в графите в 2006 году. Впоследствии электроны Дирака были найдены в квантовой яме HgTe (теллурид ртути) и в кристаллах антиперовскитов Ca3PbO. В таких материалах атомы частично перекрываются, из-за чего электроны свободно переходят из атома в атом; в результате материал приобретает электропроводящие свойства, сближающие его с высокотемпературным сверхпроводником.
В силу таких отличий от обычных электронов, электроны Дирака применимы, например, в компьютерных устройствах, которые бы принципиально превосходили современные как в скорости вычислений, так и в скорости передачи информации, отличались бы высоким КПД и низким энергопотреблением.
Для разработки таких технологий потребуется в основном или полностью перевести электроны в материале в «дираковское» состояние. В типичных условиях конфигурации атомов таковы, что электроны Дирака сосуществуют в материале с обычными электронами, составляя в лучшем случае небольшую примесь. В такой ситуации их невозможно использовать; сначала нужно научиться переводить материал в такое состояние, в котором почти всего его электроны станут дираковскими. Согласно современным представлениям, для этого в большей степени подходят перовскит-подобные кристаллические решётки, в меньшей — напоминающие графен двумерные материалы. Для начала нужно научиться безошибочно отличать дираковские электроны от обычных и измерять их.
В 2024 году в журнале «Materials Advances» было опубликовано исследование, выполненное под руководством Рюхеи Ока из университета Эхиме в Японии. Ока с коллегами изобрели метод для селективного наблюдения дираковских электронов в различных веществах. Ориентируясь на спин электрона, учёные научились обнаруживать неспаренные электроны, область их действия в материале, а также измерять их энергию.
Энергия дираковских электронов выводится из их скорости. В результате они описываются как четырёхмерные объекты, для которых учитывается положение в пространстве (x, y, z) и энергия (E).
Электроны Дирака оказались такими неуловимыми по причине их квантовой природы и из‑за того, что наблюдать их в отдельности ещё сложнее, чем в составе группы частиц. Группа Оки обнаружила электроны Дирака и измерила их свойства в сверхпроводящем полимере бис(этилендитио)тетратиафульвалене (БЭДТ-ТТФ). В созданных лабораторных условиях электроны в этом полимере практически не имеют массы. Благодаря этому они сближаются по свойствам с фотонами и вибрируют с субсветовой скоростью. Этот опыт поможет лучше понять топологические материалы — класс веществ, которые являются изоляторами на поверхности и проводниками внутри. Актуальность таких материалов растёт по мере постепенного распространения квантовых компьютеров.
Управлять электронами Дирака удалось, воспользовавшись электронным парамагнитным резонансом — неотъемлемым свойством каждого электрона. Электрон не только имеет заряд, но и вращается, из-за этого заряд распределяется, и электрон превращается в магнитный диполь. Когда образец вещества помещается в магнитное поле, поле воздействует на спины всех имеющихся в нём неспаренных электронов, и они легко обнаруживаются, так как меняют спин.
Полимер БЭДТ-ТТФ, выбранный для эксперимента, является органическим кристаллом. Исследователей интересовало качество кристалла и ориентация кристаллографических осей — для этого перед измерением физических свойств кристаллы были сфотографированы в рентгеновском спектре.
В работе использовался инструмент Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) — программный пакет для выполнения ab initio квантово-механических моделирований. В данном случае с его помощью охарактеризовали структуры электронных зон в материалах, насыщенных дираковскими электронами, и показали, что существует количественная зависимость между проводящими свойствами кристалла и размерами электронных систем. При этом было показано, что дираковские фермионы (электроны) обеспечивают проводимость кристалла по всем направлениям, а с обычными фермионами такого ни при каких условиях не происходит.
Более того, исследование показало, что скорость дираковских электронов анизотропна: она никак не связана со скоростью света, а зависит от положения и направления движения электрона. Также скорость электронов Дирака зависит от температуры материала, давления, под которым он находится, а ещё от угла, под которым через материал проходит магнитное поле.
Поэтому был сделан вывод, что электроны Дирака могут являться четырёхмерными объектами. Подчеркну, что это не какой-то особый сорт электронов, а обычные электроны, которые полностью теряют массу и приобретают огромную скорость, свободно перемещаясь от атома к атому в пределах кристалла. Электрон становится неспаренным и дираковским благодаря физическим условиям, достигнутым в кристалле. Тем не менее, можно говорить, что наряду с тремя пространственными измерениями электрон Дирака имеет четвёртое — энергетический уровень.
На этой иллюстрации из описываемой статьи показаны конусы Дирака для электронов с нулевой массой (слева) и ненулевой массой (справа). Изобразить электронные зоны сразу в четырёх измерениях невозможно, однако, как указывают авторы статьи, им удалось смоделировать «срезы» по три измерения в каждом, и свойства кристалла, наполненного дираковскими электронами, можно рассматривать как свойства четырёхмерного вещества. Такой подход упрощает дизайн и синтез трёхмерных аналогов графена, о которых ранее писал на Хабре уважаемый @Dmytro_Kikot в статье «Сверхпроводник из плоского графена: исследование плоских зон».
Как температура влияет на свойства электронов Дирака
При такой четырёхмерной трактовке электронов Дирака открывается новое направление их исследования и новые варианты применения, тем более что конусы Дирака расширяются, когда температура материала превышает 100 кельвинов. Правда, сверхпроводящие свойства при такой температуре сохраняются лишь при давлении порядка 12 000 бар. Тем не менее, этот опыт открывает путь к созданию новых топологических материалов, необходимых для совершенствования квантовых компьютеров.
Как приблизить свойства фотонов к свойствам электронов
«На встречном курсе» к описанным выше исследованиям развивается ещё одно направление, не менее важное для индустрии квантовых компьютеров. Подыскиваются условия, в которых фотоны приобретали бы «электронные» свойства, могли использоваться для передачи информации, а также реагировали на магнитное поле. Программа-максимум – научиться управлять потоками фотонов с такой же точностью, как сегодня мы управляем электронами.
В 2024 году стэнфордской команде физиков под руководством профессора электротехники Шаньхуэй Фаня впервые удалось получить псевдомагнитную силу, позволяющую управлять фотонами. В настоящий момент данная технология уже позволяет увеличить пропускную способность оптоволоконных кабелей. Потенциально на её основе можно было бы создавать фотонные микрочипы, значительно превосходящие электронные аналоги по вычислительной мощности. В сущности, учёным удалось сообщить фотонам заряд и заставить их действовать по образцу электронов. Своё изобретение стэнфордские физики назвали «синтетическим» или «искусственным» магнитным полем. Оно позволяет направлять фотоны по предсказуемым траекториям и извлекать из них полезную работу.
Хранение и передача информации сводится к управлению состояниями частиц и переключению этих состояний в соответствии с алгоритмами. Нули и единицы в современной архитектуре компьютера можно уподобить переключению спина электрона. Фотонные технологии в данном случае выглядят более многообещающими, так как при возможности управления спином фотона (вращением частицы по часовой стрелке или против неё), можно также управлять длиной волны фотона, меняя её в широком спектре от видимого до рентгеновского. Соответственно, фотонные устройства могли бы оперировать гораздо большими объёмами информации, чем электронные.
Чтобы между фотонами возникали такие псевдоэлектронные взаимодействия, они должны находиться очень близко друг другу (на расстоянии порядка нанометров), что в лабораторных условиях было достигнуто при помощи лазеров и оптоволоконных кабелей. Фань считает, что пока ещё только предстоит выяснять и уточнять механизмы таких взаимодействий, но его группа открыла относительно простой способ манипуляций со светом, какой ранее было сложно даже представить.
Известно, что в твёрдых веществах, охлаждённых до крайне низких температур, электроны могут образовывать куперовские пары, способствующие возникновению сверхпроводимости. Поскольку каждый из электронов имеет отрицательный заряд, они должны отталкиваться друг от друга, но в данном случае электроны обмениваются фотонами, которые и связывают их. В 2017 году группа физиков под руководством Адо Жорио из университета Минас-Жерайс в Бразилии смогла продемонстрировать, что в лабораторных условиях подобные пары образуются и из фотонов. Пропуская лазерный луч через сосуд с водой, исследователи заметили, что прямо из воды возникают парные фотоны, обменивающиеся энергией в виде квантовых вибраций. Соотношение энергии у обоих фотонов было таким, как если бы эта пара напоминала куперовскую. Но в отличие от электронных куперовских пар, наблюдаемых в сверхпроводниках при очень низких температурах, фотонные пары возникали при комнатной температуре. Насколько мне удалось выяснить, к настоящему времени сверхпроводимость на основе фотонов при комнатной температуре не получена, однако этот эффект заслуживает дальнейшего изучения. Например, можно ли добиться образования аналогичных пар между виртуальными частицами, постоянно возникающими и аннигилирующими в вакууме, контролируемо извлекая из них энергию?
Я сделал экскурс в эти странные исследования, чтобы подчеркнуть, что сходство между электронами и фотонами гораздо выше, чем может показаться на первый взгляд. Так, электроны, лишаясь массы, могут развивать практически световую скорость (и, соответственно, мгновенно передавать энергию), фотоны поддаются воздействию магнитного поля и даже образуют пары, подобные куперовским. Всё это подсказывает нам необычный путь к достижению сверхпроводимости при комнатной температуре и, возможно, к извлечению неограниченной энергии из вакуума. В 1997 году двое учёных: Джон Дж. Уильямсон из университета Глазго и Мартин ван дер Марк из Эйндховена — даже высказывали версию, что электрон может представлять собой фотон тороидальной формы. В таком случае скорость света в «закольцованном» электроне должна уходить во вращение частицы, а сам электрон становится «фотоном, который приобрёл массу». Сегодня эта теория не пользуется популярностью, поскольку электрон может испустить фотон, сам при этом оставшись электроном, следовательно, две эти частицы не тождественны. Но надеюсь, что я дал вам пищу для размышления о необычных взаимосвязях этих частиц, и некоторые ваши идеи будут озвучены в комментариях.
Предложенная новая модель сильного электрон-фотонного взаимодействия света с веществом
Ученая-физик предложила новую модель для описания взаимодействия света с веществом и рассчитала с помощью нее явления, которые не могла описать предыдущая модель. Она показала влияние сильной и слабой электрон-фотонной связи, предсказала, как эту связь можно контролировать, и смогла пронаблюдать дифракцию электронов в системе. Работа опубликована в Physical Review Letters. В исследованиях взаимодействия света с веществом не последнюю роль играют плазмонные структуры. Чаще всего это металлы или полупроводники. При облучении металла светом большинство фотонов отражается от поверхности (поэтому металлы выглядят такими блестящими), но есть и такие, которые проникают внутрь и вызывают колебания свободных электронов — плазменные колебания. В последнем случае фотоны должны иметь частоту, совпадающую с частотой энергетического перехода металла, который чаще всего лежит в ультрафиолетовой области. Однако у золота и меди есть переходы между уровнями, которые лежат в видимом диапазоне, поэтому их чаще всего используют для исследований.
Фото: Nahid Talebi / Physical Review Letters
Различают объемные, поверхностные (возмущение распространяется по поверхности материала) и локализованные плазмоны. Последний тип реализуется на золотых или медных наноструктурах, вокруг которых локализуется усиливающее электромагнитное поле.
Слабое взаимодействие электронов и фотонов (не путать с фундаментальными взаимодействиями) удобно для исследования коллективных возбуждений, например, плазмонов и приводит к большому числу процессов поглощения и испускания. Поэтому типичный спектр слабого взаимодействия состоит из множества резонансов и представляет собой частотную гребенку с интенсивным центральным пиком и убывающими по мере удаления от центра боковыми.
Сильное взаимодействие приводит к тому, что энергия центрального пика в спектре расползается и в системе возникают упругие и неупругие взаимодействия высоких порядков. Помимо этого, он может приводить к запутыванию фотона с электроном, а при определенным условиях сила связи между ними может существенно возрастать, что позволяет наблюдать новые явления. И если экспериментально их уже наблюдали, то существующая теория адиабатического приближения не учитывает роль дифракции и электронной отдачи (отклонение электрона после взаимодействия с фотоном).
Слабые и сильные взаимодействия. (a) Взаимодействие электронного волнового фронта с плазмонными осцилляциями в золотой наноточке радиусом 15 нанометров. Показан электромагнитный потенциал и то, как менялась амплитуда волновой функции электрона после взаимодействия. (b) — (d) Спектры электронного волнового пакета при разных амплитудах лазерной накачки плазмона. Nahid Talebi / Physical Review Letters
Нахид Талеби (Nahid Talebi) из Кильского университета исследовала взаимодействия медленных и быстрых электронов с плазмонными возбуждениями в ближнем поле. Она разработала на основе комбинации уравнений Максвелла и Шредингера для слабосвязанного гамильтониана модель, которая, в отличие от адиабатической аппроксимации, подходит для моделирования упругих и неупругих взаимодействий, контроля сильных и слабых взаимодействий, дифракции и аттосекундной группировки.
В работе автор моделировала динамику взаимодействия электронного волнового пакета с локализованными плазмонами при разных условиях. Оказалось, что увеличение амплитуды лазерного сигнала делает взаимодействие фотонов с электронами сильнее. Контролировать силу взаимодействия можно и изменением геометрии плазмонной структуры. Эллиптические наностолбики с радиусами 75 и 15 нанометров в сравнении с круглыми точками радиусом 15 нанометров позволяют фотонам и электронам дольше взаимодействовать.
Сильное взаимодействие электрона с локализованным плазмоном. Амплитуда электронного волнового фронта (a) в пространстве, (b) в фазовом пространстве. (c) Одиночные и двухфотонные процессы, в которых электрон ускоряется, замедляется или дифрагирует. (d) Карта средних отклонений энергии электрона. Nahid Talebi / Physical Review Letters
Помимо однофотонных процессов (поглощение или испускание), которые рассматривались для построения электронных спектров, при сильных взаимодействиях возникают и двухфотонные. Одно из таких явлений в электрон-плазмонной схеме — это дифракция, которая очень похожа на эффект Капицы-Дирака, когда электронный пучок дифрагирует на стоячей электромагнитной волне. Новая реалистичная модель взаимодействия света с веществом позволит не только продвинуться в понимании процессов этого взаимодействия, но и может быть полезна для расчета и моделирования новых устройств на основе плазмонов.
Нынешние работы говорят о переспективности плазмонных структур в разных областях. Например, их можно использовать для повышения КПД солнечных батарей, как это сделали американские физики. А швейцарские ученые создали перестраиваемый плазмонный лазер на квантовых точках.
Автор: Оксана Борзенкова
Источник: https://nplus1.ru/
