Elektronerne i et snoet stykke grafen viser et underligt gentagende mønster, der først blev forudsagt i 1976, men målt aldrig direkte indtil nu
Teoretisk beregning af energiniveauet for elektroner i snoede lag af grafen i et magnetfelt, der viser det fraktale “sommerfugl” mønster forudsagt af Douglas Hofstadter
Et fraktalt sommerfuglmønster produceret af en usædvanlig konfiguration af magnetiske felter, der først forudsages for næsten 50 år siden, er blevet set detaljeret for første gang i et snoet stykke grafen.
Mens en fysikstuderende i 1976, computerforsker Douglas Hofstadter forudsagde, at når visse to-dimensionelle krystaller blev placeret i magnetiske felter, skulle deres elektronernes energiniveau producere et underligt mønster, der ser det samme ud, uanset hvor langt du zoomer ind, kendt som en fraktal. På det tidspunkt beregnet Hofstadter imidlertid, at krystallens atomer skulle være umuligt tæt sammen for at producere et sådant mønster.
I 2013 så forskere først eksperimentelle antydninger til dette mønster, der blev kendt som Hofstadters sommerfugl, i et fladt ark med bornitrid, et materiale, der ligner grafen. Deres målinger kiggede på materialets samlede modstand, hvilket kunne give antydninger til, hvad elektronerne gjorde, men de vidste stadig ikke de nøjagtige energier i elektronerne.
Nu har Ali Yazdani ved Princeton University og hans kolleger målt Hofstadters sommerfugl i detaljer for første gang ved hjælp af to snoede lag af grafen.
Når et lag af grafen roteres oven på et andet i en bestemt vinkel, kaldet magiskvinklen, producerer det unikke gentagne strukturelle mønstre og magnetiske felter, der kan føre til uventede egenskaber, såsom superledende. Disse forhold ligner dem i Hofstadters oprindelige forudsigelse, men de stærke magnetiske felter forvrænger grafens elektroner, hvilket gør dem umulige at måle detaljeret med et elektronmikroskop.
Yazdani og hans kolleger eksperimenterede med en anden magisk vinkel, hvilket fører til bredere gentagne mønstre, da de indså, at det ville producere svagere magnetiske felter og lade elektronerne være fri til at måle, hvilket giver teamet mulighed for at tage detaljerede aflæsninger af deres energier. ”Det faktum, at vi kunne gå til disse meget lave magnetiske felter og gøre dette eksperiment, var et sødt sted, som folk ikke havde forventet før,” siger Yazdani.
”Det er en dejlig historie, der viser den forudsigelige kraft, vi har,” siger Johannes Lischner ved Imperial College London. ”Vi forstår virkelig de grundlæggende love for elektroner, så meget, at vi kan foretage en forudsigelse, og selvom det tager 50 år at verificere det, i slutningen af dagen kommer det ud, som det blev forudsagt.”
”Jeg var meget tilfreds med de grundlæggende fund af papiret,” siger Hofstadter. ”Jeg forlod fysik for omkring 50 år siden, og derfor kan jeg virkelig ikke tilbyde nogen professionelle vurderinger om det. Det siger sig selv, at jeg altid er tilfreds med, når der er empiriske bekræftelser af den struktur, som jeg forudsagde tilbage i 1976. ”