Физики впервые увидели, как дышат атомы. Что они скрывали миллиарды лет?
NewsMakerОдно фото способно изменить всё наше понимание реальности.
Впервые в истории науки исследователям удалось зафиксировать тепловое движение атомов в реальном времени — с такой точностью и детализацией, которые ранее считались недостижимыми. Работа, выполненная под руководством доцента Университета Мэриленда Ичао Чжана, позволила не только визуализировать атомные колебания в двумерных материалах, но и впервые напрямую наблюдать так называемые фазоны — квазичастицы, отвечающие за коллективные тепловые возбуждения в муаровых структурах. Эти явления ранее были лишь теоретически предсказаны, но оставались за пределами экспериментальной регистрации. Результаты открывают новые горизонты в понимании теплопереноса на наномасштабе и могут стать основой для проектирования сверхтонких электронных и квантовых устройств следующего поколения.
Ключевую роль в этом открытии сыграла электронная пtychография — метод, обеспечивающий визуализацию атомных структур с рекордной точностью благодаря анализу интерференционных картин и фазовой реконструкции рассеянных волн. В отличие от традиционных микроскопических подходов, пtychография позволяет преодолеть пределы разрешения и чувствительности, ограничивавшие наблюдение слабых тепловых флуктуаций. В данном случае команде Чжана удалось достичь пространственной точности лучше 15 пикометров — то есть менее одной десятитысячной диаметра атома водорода. Это дало возможность зарегистрировать минимальные смещения атомов, вызванные тепловыми вибрациями — движения, которые до сих пор можно было лишь моделировать или вычислять косвенно.
Объектом исследования стали скрученные двумерные материалы — системы, состоящие из двух монослоёв, повернутых друг относительно друга на малый угол. Такая геометрия формирует характерный интерференционный рисунок — муаровый узор. Именно в этих условиях возникают фазоны (от англ. phasons) — коллективные низкоэнергетические возбуждения, отражающие согласованные смещения атомов между слоями с пространственно модулированной фазой. Эти квазичастицы играют важную роль в формировании таких свойств, как теплопроводность, электронная подвижность и потенциал к сверхпроводимости .
До настоящего времени фазоны оставались исключительно теоретической конструкцией — теперь они впервые стали объектом прямого наблюдения. На полученных изображениях можно чётко различить области размытия атомных позиций, соответствующие конкретным фазонным модам. По словам Чжана, это похоже на дешифровку ранее недоступного "языка движения" атомов — языка, который оставался скрытым лишь потому, что у науки не было инструмента, способного уловить его.
Достижение имеет значение далеко за рамками фундаментальной физики. Двумерные материалы, такие как графен и дихалькогениды переходных металлов (TMD), давно рассматриваются как база для квантовой электроники и наноразмерных схем. Однако, когда речь идёт о толщине в один-два атома, привычные законы теплопереноса теряют применимость: здесь начинают доминировать резонансные возбуждения, нелинейные взаимодействия и поверхностные эффекты. Возможность наблюдать, как именно распространяется тепловая энергия в таких структурах, открывает путь к целенаправленной инженерии материалов с заранее заданными тепловыми и квантовыми характеристиками .
Одним из наиболее значимых аспектов стало подтверждение применимости птихографии как нового стандарта атомной микроскопии. Методика основана на последовательной регистрации электронных дифракционных картин при сканировании пучка по образцу с субнанометровым шагом. Алгоритмы реконструкции позволяют восстановить не только амплитуду, но и фазу рассеянных волн, что обеспечивает беспрецедентную чувствительность к даже минимальным движениям атомов. Благодаря этому становится возможным отслеживать динамику кристаллической решётки, включая тепловые возбуждения.
На практике это означает, что учёные теперь могут анализировать теплоперенос на уровне отдельных атомов: какие области структуры вовлечены в процесс, как влияют дефекты, границы зёрен или гетероинтерфейсы. В ближайших работах команда планирует исследовать, как фазонные моды изменяются при наличии структурных нарушений — шаг, необходимый для создания материалов с программируемыми свойствами. Такие разработки могут привести к появлению квантовых процессоров , где тепловые вибрации будут служить не помехой, а функциональным элементом управления, к энергоэффективным чипам нового типа и к сенсорам, способным улавливать малейшие колебания на атомном уровне.
Возможно, главное достижение этой работы заключается в том, что движение атомов теперь можно не только предсказывать, но и наблюдать напрямую. Это фундаментально меняет представление о границах наблюдаемого в атомном масштабе. Исследование закладывает основу для нового этапа в изучении квантовых материалов — этапа, где ключевыми параметрами становятся не только статическая структура, но и контролируемая динамика атомов. Так открывается путь от проектирования конфигураций к управлению движением, от формы — к вибрации. Всё это — в пределах десятков пикометров.
Впервые в истории науки исследователям удалось зафиксировать тепловое движение атомов в реальном времени — с такой точностью и детализацией, которые ранее считались недостижимыми. Работа, выполненная под руководством доцента Университета Мэриленда Ичао Чжана, позволила не только визуализировать атомные колебания в двумерных материалах, но и впервые напрямую наблюдать так называемые фазоны — квазичастицы, отвечающие за коллективные тепловые возбуждения в муаровых структурах. Эти явления ранее были лишь теоретически предсказаны, но оставались за пределами экспериментальной регистрации. Результаты открывают новые горизонты в понимании теплопереноса на наномасштабе и могут стать основой для проектирования сверхтонких электронных и квантовых устройств следующего поколения.
Ключевую роль в этом открытии сыграла электронная пtychография — метод, обеспечивающий визуализацию атомных структур с рекордной точностью благодаря анализу интерференционных картин и фазовой реконструкции рассеянных волн. В отличие от традиционных микроскопических подходов, пtychография позволяет преодолеть пределы разрешения и чувствительности, ограничивавшие наблюдение слабых тепловых флуктуаций. В данном случае команде Чжана удалось достичь пространственной точности лучше 15 пикометров — то есть менее одной десятитысячной диаметра атома водорода. Это дало возможность зарегистрировать минимальные смещения атомов, вызванные тепловыми вибрациями — движения, которые до сих пор можно было лишь моделировать или вычислять косвенно.
Объектом исследования стали скрученные двумерные материалы — системы, состоящие из двух монослоёв, повернутых друг относительно друга на малый угол. Такая геометрия формирует характерный интерференционный рисунок — муаровый узор. Именно в этих условиях возникают фазоны (от англ. phasons) — коллективные низкоэнергетические возбуждения, отражающие согласованные смещения атомов между слоями с пространственно модулированной фазой. Эти квазичастицы играют важную роль в формировании таких свойств, как теплопроводность, электронная подвижность и потенциал к сверхпроводимости .
До настоящего времени фазоны оставались исключительно теоретической конструкцией — теперь они впервые стали объектом прямого наблюдения. На полученных изображениях можно чётко различить области размытия атомных позиций, соответствующие конкретным фазонным модам. По словам Чжана, это похоже на дешифровку ранее недоступного "языка движения" атомов — языка, который оставался скрытым лишь потому, что у науки не было инструмента, способного уловить его.
Достижение имеет значение далеко за рамками фундаментальной физики. Двумерные материалы, такие как графен и дихалькогениды переходных металлов (TMD), давно рассматриваются как база для квантовой электроники и наноразмерных схем. Однако, когда речь идёт о толщине в один-два атома, привычные законы теплопереноса теряют применимость: здесь начинают доминировать резонансные возбуждения, нелинейные взаимодействия и поверхностные эффекты. Возможность наблюдать, как именно распространяется тепловая энергия в таких структурах, открывает путь к целенаправленной инженерии материалов с заранее заданными тепловыми и квантовыми характеристиками .
Одним из наиболее значимых аспектов стало подтверждение применимости птихографии как нового стандарта атомной микроскопии. Методика основана на последовательной регистрации электронных дифракционных картин при сканировании пучка по образцу с субнанометровым шагом. Алгоритмы реконструкции позволяют восстановить не только амплитуду, но и фазу рассеянных волн, что обеспечивает беспрецедентную чувствительность к даже минимальным движениям атомов. Благодаря этому становится возможным отслеживать динамику кристаллической решётки, включая тепловые возбуждения.
На практике это означает, что учёные теперь могут анализировать теплоперенос на уровне отдельных атомов: какие области структуры вовлечены в процесс, как влияют дефекты, границы зёрен или гетероинтерфейсы. В ближайших работах команда планирует исследовать, как фазонные моды изменяются при наличии структурных нарушений — шаг, необходимый для создания материалов с программируемыми свойствами. Такие разработки могут привести к появлению квантовых процессоров , где тепловые вибрации будут служить не помехой, а функциональным элементом управления, к энергоэффективным чипам нового типа и к сенсорам, способным улавливать малейшие колебания на атомном уровне.
Возможно, главное достижение этой работы заключается в том, что движение атомов теперь можно не только предсказывать, но и наблюдать напрямую. Это фундаментально меняет представление о границах наблюдаемого в атомном масштабе. Исследование закладывает основу для нового этапа в изучении квантовых материалов — этапа, где ключевыми параметрами становятся не только статическая структура, но и контролируемая динамика атомов. Так открывается путь от проектирования конфигураций к управлению движением, от формы — к вибрации. Всё это — в пределах десятков пикометров.