Взлом симметрии: как физики научились кодить поведение частиц
NewsMakerПодконтрольная геометрия помогает разобраться с таинственным эффектом CISS.
Учёные из Питтсбурга разработали новую платформу , с помощью которой можно программируемо создавать хиральные траектории для электронов . Это открывает новые возможности для изучения загадочного квантового явления , которое впервые было зафиксировано химиками более двух десятилетий назад и до сих пор вызывает множество вопросов. Речь идёт об эффекте, при котором спин электрона неожиданно зависит от пространственной асимметрии молекул.
Впервые необычное поведение электронов в присутствии хиральных молекул было замечено в конце 1990-х годов. Тогда физик Рон Нааман и химик Дэвид Уолдек обнаружили, что при прохождении через организованные слои молекул, обладающих «левым» или «правым» завихрением, электроны с разной ориентацией спина ведут себя по-разному. Этот эффект получил название CISS, и его величина оказалась на порядки выше, чем предсказывали прежние теории. Особенно удивительно было то, что он проявлялся даже в сложных биологических системах, где условия далеки от идеальных для квантовой механики.
Несмотря на множество экспериментов и теоретических попыток, объяснение этого явления остаётся открытым. Одной из главных трудностей стало отсутствие управляемых систем, в которых можно было бы точно воспроизводить и изменять хиральные свойства среды. Исследовательская группа под руководством Джереми Леви создала такую систему на базе интерфейса между двумя оксидами — ла-алюминатом и стронций-титанатом. С помощью проводящего наконечника они могут буквально «рисовать» на поверхности нанометровые спирали, формируя траектории для электронов с нужной геометрией и характеристиками.
Эти искусственные хиральные волноводы ведут себя необычным образом. Например, учёные зафиксировали усиленное спаривание электронов, которое сохраняется даже при воздействии мощных магнитных полей . Кроме того, были замечены осцилляции проводимости, связанные с энергией электронов и силой магнитного поля, что указывает на новый тип квантовой интерференции . Моделирование показало, что хиральная геометрия создаёт эффективное магнитное поле, связывающее спин и импульс электрона.
Хотя платформа использует неорганические материалы и работает при температурах, близких к абсолютному нулю, она даёт редкую возможность варьировать параметры системы — такие как шаг спирали, амплитуда и сила связи — и проверять теоретические предположения в контролируемых условиях. Это позволяет не просто имитировать природные условия, а выделять ключевые процессы, лежащие в основе спин-селективного транспорта.
Исследователи также работают над гибридными структурами, в которых программируемая оксидная платформа будет сочетаться с органическими молекулами. Такой подход может позволить изучать поведение электронов в более приближённых к биологическим условиях. Кроме того, планируется использовать углеродные нанотрубки, чтобы отделить программируемую геометрию от электронной среды и тем самым ещё точнее управлять параметрами эксперимента.
Созданная платформа вписывается в общую тенденцию развития физики конденсированного состояния . В фокусе внимания теперь не поиск новых материалов, а конструирование нужных квантовых состояний через управление геометрией и взаимодействиями. Этот подход даёт возможность моделировать квантовые явления, которые трудно изучать напрямую в природе.
Хотя пока рано говорить, сможет ли эта система окончательно раскрыть природу эффекта CISS, она уже доказала, что мир квантовой хиральности гораздо богаче и управляемее, чем предполагалось. Возможность программировать материю на уровне её фундаментальных свойств может стать ключом к разгадке одной из самых интригующих загадок современной физики и химии.
Учёные из Питтсбурга разработали новую платформу , с помощью которой можно программируемо создавать хиральные траектории для электронов . Это открывает новые возможности для изучения загадочного квантового явления , которое впервые было зафиксировано химиками более двух десятилетий назад и до сих пор вызывает множество вопросов. Речь идёт об эффекте, при котором спин электрона неожиданно зависит от пространственной асимметрии молекул.
Впервые необычное поведение электронов в присутствии хиральных молекул было замечено в конце 1990-х годов. Тогда физик Рон Нааман и химик Дэвид Уолдек обнаружили, что при прохождении через организованные слои молекул, обладающих «левым» или «правым» завихрением, электроны с разной ориентацией спина ведут себя по-разному. Этот эффект получил название CISS, и его величина оказалась на порядки выше, чем предсказывали прежние теории. Особенно удивительно было то, что он проявлялся даже в сложных биологических системах, где условия далеки от идеальных для квантовой механики.
Несмотря на множество экспериментов и теоретических попыток, объяснение этого явления остаётся открытым. Одной из главных трудностей стало отсутствие управляемых систем, в которых можно было бы точно воспроизводить и изменять хиральные свойства среды. Исследовательская группа под руководством Джереми Леви создала такую систему на базе интерфейса между двумя оксидами — ла-алюминатом и стронций-титанатом. С помощью проводящего наконечника они могут буквально «рисовать» на поверхности нанометровые спирали, формируя траектории для электронов с нужной геометрией и характеристиками.
Эти искусственные хиральные волноводы ведут себя необычным образом. Например, учёные зафиксировали усиленное спаривание электронов, которое сохраняется даже при воздействии мощных магнитных полей . Кроме того, были замечены осцилляции проводимости, связанные с энергией электронов и силой магнитного поля, что указывает на новый тип квантовой интерференции . Моделирование показало, что хиральная геометрия создаёт эффективное магнитное поле, связывающее спин и импульс электрона.
Хотя платформа использует неорганические материалы и работает при температурах, близких к абсолютному нулю, она даёт редкую возможность варьировать параметры системы — такие как шаг спирали, амплитуда и сила связи — и проверять теоретические предположения в контролируемых условиях. Это позволяет не просто имитировать природные условия, а выделять ключевые процессы, лежащие в основе спин-селективного транспорта.
Исследователи также работают над гибридными структурами, в которых программируемая оксидная платформа будет сочетаться с органическими молекулами. Такой подход может позволить изучать поведение электронов в более приближённых к биологическим условиях. Кроме того, планируется использовать углеродные нанотрубки, чтобы отделить программируемую геометрию от электронной среды и тем самым ещё точнее управлять параметрами эксперимента.
Созданная платформа вписывается в общую тенденцию развития физики конденсированного состояния . В фокусе внимания теперь не поиск новых материалов, а конструирование нужных квантовых состояний через управление геометрией и взаимодействиями. Этот подход даёт возможность моделировать квантовые явления, которые трудно изучать напрямую в природе.
Хотя пока рано говорить, сможет ли эта система окончательно раскрыть природу эффекта CISS, она уже доказала, что мир квантовой хиральности гораздо богаче и управляемее, чем предполагалось. Возможность программировать материю на уровне её фундаментальных свойств может стать ключом к разгадке одной из самых интригующих загадок современной физики и химии.