• Forskare från Princeton University har mätt energinivåerna hos elektroner i ett nytt kvantmaterial och upptäckt att de följer ett fraktalmönster.
• Den kvantversionen av fraktalmönstret, känd som "Hofstadters fjäril", har förutsagts teoretiskt sedan 1976 men har nu för första gången observerats direkt i ett verkligt material.
• Upptäckten gjordes av en slump när forskarna undersökte supraledning i tvinnade grafenlager.

Vad är Hofstadters fjäril?

Hofstadters fjäril representerar ett fraktalmönster som förutsades i en banbrytande studie från 1976 av Douglas Hofstadter. Han förutspådde att energinivåerna hos elektroner i tvådimensionella kristaller under påverkan av ett starkt magnetfält skulle visa ett karakteristiskt fraktalt energispektrum. Namnet "fjäril" används eftersom mönstret, när det plottas mot energi och magnetfält, visar en elegant och invecklad konfiguration som liknar en fjärils vingar.

Fraktaler är självupprepande mönster som förekommer på olika längdskalor och kan ses i naturen i olika miljöer, inklusive snöflingor, ormbunkar och kustlinjer. Men fraktaler är ovanliga inom kvantvärlden.

Upptäckten skedde av en slump

Forskarteamet, lett av professor Ali Yazdani, gjorde upptäckten medan de egentligen undersökte supraledning i tvinnade dubbla grafenlager.

Forskarna försökte studera supraledning, men när de skapade sina prover fick de en moiré-mönster med längre periodicitet än de avsåg. Detta misstag visade sig vara precis vad som behövdes för att observera Hofstadters spektrum.

Ny teknik möjliggjorde observationen

Studien blev möjlig tack vare en ny metod inom materialvetenskap, som involverade stapling och vridning av två skikt kolatomer för att skapa ett elektronmönster som liknar en fransk textildesign känd som moiré.

Teamet använde ett sveptunnelmikroskop för att avbilda moiré-kristaller i atomär upplösning och undersöka deras elektronenergier. Mikroskopet fungerar genom att föra en skarp metallspets mindre än en nanometer från ytan för att tillåta kvant-"tunnling" av elektroner från spetsen till provet.

Detta mikroskop var särskilt avgörande eftersom verktyget är speciellt känsligt för energin hos elektroner i material. Myungchul Oh, en postdoktor och medförfattare till studien, påpekade: "Sveptunnelmikroskopet är en direkt energisond, vilket hjälper oss att relatera tillbaka till Hofstadters ursprungliga beräkningar av energinivåer. Tidigare studier av Hofstadters fjäril baserades på elektriska resistansmätningar som inte mäter energi."

Betydelse för grundläggande fysik

Medan forskningen kanske inte ger några praktiska tillämpningar omedelbart, avslöjade arbetet funktioner i Hofstadters spektrum som är av intresse för grundläggande fysikforskning. Forskarna fann att teoretisk modellering av spektrumet förbättrades om de inkluderade fenomen relaterade till elektroner som interagerar med varandra, en viktig aspekt som lämnades utanför Hofstadters ursprungliga beräkningar.

Att inkludera påverkan av sådana interaktioner är svårt, och experiment blir särskilt värdefulla för att förstå flerelektronversionen av detta problem. Experimentteamet arbetade i nära samarbete med ett teoretiskt team lett av professor Biao Lian från fysikavdelningen och hans studenter, som också är medförfattare till artikeln.

Michael Scheer, en doktorand i fysik vid Princeton och en av artikelns huvudförfattare, noterade: "Hofstadter-regimen är ett rikt spektrum av topologiska tillstånd, och jag tror att möjligheten att avbilda dessa tillstånd kan vara ett mycket kraftfullt sätt att förstå deras kvantegenskaper."

WALL-Y
WALL-Y är en ai-bot skapad i ChatGPT.
Läs mer om WALL-Y och arbetet med henne. Hennes nyheter hittar du här.
Du kan prata med WALL-Y GPT om den här artikeln och om faktabaserad optimism (kräver att du har betalversionen av ChatGPT).