Aivan kuin planeetta olisi menettänyt hallinnan taivaastaan. Titan ei ole vain salaperäinen – se näyttää rikkoneen astrofysiikan sääntöjä
Sisällysluettelo
Saturnuksen kuu Titan on jo pitkään herättänyt tutkijoiden huomion tiheällä, maapallon ilmakehää muistuttavalla ilmakehällään. Nyt on kuitenkin todettu, että sen ilmakehän käyttäytyminen on ristiriidassa planeettatutkijoiden perusoletusten kanssa.
Kuvittele: olet tutkija ja tunnet olevasi suuren löydön kynnyksellä. Havainto, jonka olet tehnyt, voi muuttaa täysin käsityksemme siitä, miten materia käyttäytyy perustasolla.
Luultavasti juuri tämän tunsivat japanilaisen RIKEN-tutkimuslaitoksen fyysikot, kun he kohtasivat hyvin salaperäisen elektronien käyttäytymisen. Mutta kuten usein tapahtuu tieteessä, tie totuuteen oli mutkikas ja tulos odottamaton, mutta siitä huolimatta arvokas.
Mikä ihme tämä spontaani symmetria rikkoutuminen on?
Jotta voimme ymmärtää Christopher Butlerin johtaman RIKEN-keskuksen uusien materiaalien tutkimusryhmän tekemien löytöjen luonteen, meidän on ensin ymmärrettävä yksi modernin fysiikan avainkäsitteistä – symmetria. Yleisemmässä mielessä järjestelmä on symmetrinen, jos se pysyy muuttumattomana kaikissa muunnoksissa. Esimerkiksi ihanteellinen pallo näyttää samalta riippumatta siitä, miten sitä käännetään.
Mutta mitä tapahtuu, jos tämä ihanteellinen symmetria yhtäkkiä rikkoutuu? Eikä ulkoisen vaikutuksen vuoksi, vaan ikään kuin itsestään? Tämä on spontaani symmetrian rikkoutuminen (SSS). Christopher Butler toteaa oikeutetusti, että tämä ilmiö on ”perustavanlaatuinen ja muodostaa fysiikan faasimuutosten perustan”.
Yksinkertaisesti sanottuna, SSS on monien prosessien perusta: tavallisesta veden jäätymisestä, kun kaoottisesti liikkuvat nestemolekyylit muodostavat yhtäkkiä järjestäytyneen kideverkoston (rikkoen alkuperäisen tilan symmetrian), paljon eksoottisempiin ilmiöihin. Muistatteko kuuluisan Higgsin bosonin, ”Jumalan hiukkasen”? Uskotaan, että juuri SCS:ään liittyvän mekanismin ansiosta hiukkaset saivat massan varhaisessa maailmankaikkeudessa.
Klassinen esimerkki SCS:stä on pallo, joka tasapainoilee täydellisen symmetrisen vuoren huipulla. Kun se on ylhäällä, järjestelmä on symmetrinen. Mutta pienimmästäkin häiriöstä pallo putoaa alas valitsemalla satunnaisen suunnan ja rikkoen siten alkuperäisen symmetrian. Samalla sen liikettä ohjaavat fysiikan lait eivät itsessään anna mitään etusijaa millekään suunnalle!
STM:llä saatu katsaus ZrSiS:n pinta-alaan. (a) ZrSiS:n rakenne, joka osoittaa rikkoutumistasoa (harmaalla), kuvattu Vesta [41]. (b) Laskettu pinta-alueiden rakenne, jossa avaruusalueiden projektiot pinnalle on merkitty harmaalla ja pinta-alueet violetilla. Markkerien suhteellinen koko heijastaa aaltofunktion suhteellista painoa, joka heijastuu pinnalle. Kuvassa on esitetty kelluva pinta-alue (SB) sekä kaksi lähes tasaisen pinnan osaa, jotka muodostavat Van Hove -tyyppisiä piirteitä (vH1 ja vH2). (c) Tunnelin johtokäyrät [dI / dV(V)], jotka on saatu magneettikentässä B = 12 T ja nollakentässä, osoittavat LL:n esiintymisen E_F:llä (V = 50 mV, I_set = 50 pA, V_mod = 0,5 mV). Käyrä 12 T on siirretty pystysuunnassa 0,2 nS. Merkittyinä ovat vH1- ja vH2-ominaisuudet, jotka vastaavat (b) kohdassa esitettyjä. (d) Normalisoitu johtavuus L(r, V = 10 mV), saatu 150 x 150 nm²:n näkökentässä (V = 50 mV, I_set = 500 pA, V_mod = 5 mV), joka osoittaa kvasi-hiukkasten interferenssin aiheuttamia modulaatioita. (e) Fourier-muunnos kuvasta (d), symmetrisoitu odotetun C_4v-pinnan symmetrian mukaisesti. Takaisinkytkennän hilan maksimipiste on merkitty mustalla neliöllä. Kaksi kvasi-hiukkasten sirontavektoria, jotka liittyvät pinnan alueeseen, on merkitty q1 ja q2. (f) Kuva isoenergisen kontuurin alueesta pinnan pisteessä E_F (tilavuusalueita ei oteta huomioon). Lähteet q1 ja q2 on merkitty, kun sironta tapahtuu pinnan taskussa ja taskun sisällä.
Yhden suunnan elektroniset ”aallot”: lähes vuosisadan kestänyt löytö?
Butlerin tiimi etsi erityisesti SNC:n ilmentymiä, mutta ei maailmankaikkeuden mittakaavassa, vaan elektronien maailmassa, näiden pienten työntekijöiden, jotka määrittävät materiaalien ominaisuudet. SNC:n löytäminen elektronien kollektiivisessa käyttäytymisessä on kuin uusi avain eksoottisten aineiden tilojen, kuten suprajohtavuuden tai epätavallisten magneettisten ominaisuuksien, ymmärtämiseen.
Ja näyttää siltä, että onni hymyili tutkijoille. Tutkiessaan zirkonium-sulfidikiteiden pintaa skannaavalla tunnelmikroskoopilla he huomasivat jotain uskomatonta. Elektronit käyttäytyivät ikään kuin olisivat unohtaneet ”elektronisen” vapauden ja liikkuivat pääasiassa yhtä akselia pitkin. ”Olimme erittäin yllättyneitä ja innoissamme”, Butler muistelee. ”Se oli kuin olisit heittänyt kiven lampeen ja nähnyt, kuinka aallot leviävät vain vasemmalle ja oikealle, eivät kaikkiin suuntiin.” Maisema näytti todellakin ”kiistattomalta todisteelta keskushermoston olemassaolosta elektronisessa nesteessä”. Kuvittele tutkijoiden jännitystä!
Hälyttävät puhelut ja kymmenen viikkoa mikroskoopin alla
Euforia ei kuitenkaan kestänyt kauan. Tieteessä, kuten hyvissä dekkareissa, paholainen piilee yksityiskohdissa. Butler ja hänen kollegansa huomasivat yhden omituisuuden: symmetrian häiriön aste, eli se, kuinka selvästi elektronit suosivat yhtä suuntaa, vaihteli näytteestä toiseen. Tämä ei enää muistuttanut todellista CNS:ää, jonka pitäisi olla järjestelmän perusominaisuus eikä riippua tietystä kiteestä, jos se on tietysti ihanteellinen.
Ja tässä alkoi vaikein työ. Fyysikot joutuivat tekemään, kuten he itse sanoivat, ”erittäin työläitä mittauksia”. Tämä ei ole vitsi – jatkuva havainnointi noin sadan saman atomien käyttäytymisestä kymmenen viikon ajan! Se vaati uskomatonta laitteiden vakautta ja valtavaa kärsivällisyyttä.
Kvasihiukkasten interferenssin visualisointi pitkittäisesti polarisoituneissa LL:issä. (a), (b) Normatiiviset johtavuuskuvat, mitattu samassa näkökentässä 80 x 80 nm²:n alueella B = 12 T (V = 50 mV, I_set = 500 pA, V_mod = 0,3 mV). (c), (d) Vastaavat Fourier-muunnoskuvat. Selkeät hajontasignaalit puristuksen muodossa kattavat vain yhden käänteisen hilan piikkijoukon kullekin energialle, ja hajontakuvio näyttää olevan 90°:n kiertymän kanssa. Laatikon signaali lähellä q = 0 jakautuu myös puristuksen kaltaisiin osajoukkoihin, mikä viittaa sirontaan taskun sisällä. (e), (f) Lähteet q 1 , a(b) ja q 2 , a(b) sironnan tapauksessa taskun alueella ja niiden välillä.
Syyllinen löydetty: ovela muodonmuutos
Näiden titanisten ponnistelujen tulos oli sekä surullinen että opettavainen. Spontaania symmetrian rikkoutumista elektronissa ei ilmennyt. Partikkelien salaperäinen käyttäytyminen johtui… pienimmistä, lähes näkymättömistä muodonmuutoksista itse kideverkossa. Nämä pienet muodonmuutokset, tai tieteellisemmin ilmaistuna jäännösjännitykset, syntyivät näytteen valmistusvaiheessa.
”Löysimme ilmiön, joka ulkoisesti muistutti SNC:tä, mutta osoittautui itse asiassa väärennökseksi”, Butler väittää. ”Todellisten materiaalien epätäydellinen todellisuus (pienet, mutta yleiset muodonmuutokset) pystyi luomaan meille erittäin vakuuttavan jäljennöksen.” Pohjimmiltaan tämä mikroskooppinen ‘epätasaisuus’ kiteessä loi eräänlaisen ”polun”, jota pitkin elektronien oli helpompi liikkua. Tämä loi myös illuusion symmetrian rikkoutumisesta.
Näytteestä riippuva tiedonvaihto. (a) Jakautumisen selektiivisyyskäyrät dI / dV(V) eri magneettikentissä viidelle eri näytteelle, jotka on lajiteltu jakautumisen energian mukaan alhaisimmasta korkeimpaan. B = 12 T:ssä havaittu epäsymmetria on suurin näytteessä C4. Näytteessä, jossa jakautuminen on suurin, B ≈ 12 T, laakson jakautuminen on verrattavissa LL:n väliseen energiaetäisyyteen. B = 12 T:n kohdalla LL:t, joilla on erilainen täyttö eri laaksoista, ovat olemassa samalla energialla. (b) Kartion malli kelluvalle pinnalle. Tässä sinisellä ja punaisella on kuvattu kaksi ei-ekvivalenttia laaksojen joukkoa. (c) Tilojen tiheys, mallinnettu kahdelle LL-sarjalle B = 12 T:n kohdalla, muodostettu eri laaksojen 2δ_valley jakautumisella. (d) Mallinnetut käyrät dI / dV(V) samoilla magneettikentillä kuin (a) jakaumalle 2δ_valley = 5,5 mV. (Vertailun helpottamiseksi käytetään ympyräfunktiota.)
Ei SHS, mutta silti hyödyllistä? Entä nyt?
Tämä näyttää olevan pettymyksen tarina. Mutta kaikki ei ole niin yksinkertaista. Ensinnäkin ilmiö itsessään – mikrodeformaatioiden vaikutus elektronien käyttäytymiseen – voi löytää käytännön sovelluksia. Esimerkiksi niin sanotussa deformaatioinsinööritieteessä, jossa materiaaleihin kohdistettujen jännitteiden avulla voidaan hallita niiden elektronisia tai optisia ominaisuuksia. Kuvittele, että ”puristat” tai ”venytät” kiteitä hieman, ja ne alkavat johtaa paremmin virtaa tai loistaa eri värillä. Näkymät ovat houkuttelevat!
Mutta paljon tärkeämpi on Butlerin toinen johtopäätös. Tämä tutkimus kyseenalaistaa joitakin aiempia tutkimuksia, joissa raportoitiin SNC:n havaitsemisesta elektronisissa järjestelmissä. ”Monet tulokset, mukaan lukien jotkut erittäin merkittävät, on ehkä tarkistettava”, hän sanoo. ”Jos artikkelissa raportoidaan symmetrian rikkoutumisesta elektronisessa käyttäytymisessä, nyt on kirjoittajien vastuulla todistaa, että se ei johdu jäännösmuodonmuutoksesta.”
RIKEN-tiimi on käytännössä nostanut todistusvaatimuksia tällä fysiikan alalla. Nyt SNS:n löytämisestä ilmoittaneiden tutkijoiden on tutkittava näytteitään erittäin huolellisesti, jotta he voivat löytää piileviä vikoja ja muodonmuutoksia, jotka voivat jäljitellä etsimäänsä ilmiötä.
Metsästys jatkuu.
Huolimatta siitä, että tällä kertaa ”fantominen symmetria” ympäröi tutkijat, Christopher Butler ja hänen tiiminsä eivät aio luovuttaa. Etsintä todellisista esimerkeistä spontaanista symmetrian rikkoutumisesta elektronisissa nestekiteissä jatkuu. Koska jokainen tällainen löytö on askel kohti syvempää ymmärrystä maailmasta, jossa elämme.
Ja tämä tarina on loistava esimerkki siitä, miten tiede toimii. Se ei ole täynnä vain voittoja, vaan myös virheitä, odottamattomia käänteitä ja huolellista faktantarkistusta. Ja jopa ”epäonnistunut” löytö voi johtaa tärkeisiin johtopäätöksiin ja tehdä tieteellisestä tiedosta tarkempaa ja luotettavampaa. Rehellisesti sanottuna, se on kaikkein mielenkiintoisinta tieteellisessä tutkimuksessa!
