Как танцуют атомы: впервые запечатлены тепловые колебания

Ученые из Университета Мэриленда сделали то, что еще недавно казалось невозможным — впервые в истории зафиксировали тепловые колебания отдельных атомов с беспрецедентной четкостью. Это открытие обещает перевернуть подходы к созданию квантовых устройств и сверхтонкой электроники.

Мы знаем, что атомы никогда не бывают в покое: тепло заставляет их постоянно дрожать, словно в бесконечном танце. Но до сих пор эта вибрация оставалась лишь теоретическим расчетом. Теперь же исследователи разработали уникальную методику — электронную птихографию с разрешением менее 15 пикометров (это в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса). При таком увеличении можно увидеть даже «размытие» атома от его собственных колебаний.

Эксперимент проводили на двумерных материалах толщиной всего в несколько нанометров. Если два таких слоя чуть повернуть друг относительно друга, на них возникает муаровый узор — и атомы начинают колебаться особым образом, формируя так называемые муаровые фазоны.

«Это как расшифровать тайный язык атомов», — говорит руководитель исследования Чжан. Работа впервые экспериментально подтвердила предсказания о существовании муаровых фазонов и показала, что именно они определяют характер тепловых колебаний в скрученных материалах.

Почему это важно?

• Для квантовых технологий: тепловые вибрации могут разрушать хрупкие квантовые состояния. Контроль этих колебаний откроет путь к стабильным квантовым устройствам, работающим при комнатной температуре.
• Для электроники: двумерные материалы рассматриваются как основа процессоров нового поколения — тоньше и эффективнее кремниевых. Но их «атомная» динамика до сих пор оставалась загадкой.

Следующий шаг — изучить, как дефекты в кристаллической решетке влияют на эти вибрации. Понимание этого процесса позволит создавать материалы с заданными свойствами — от нанодатчиков до энергоэффективной электроники и квантовых процессоров будущего.