Почему спонтанное нарушение симметрии в электронах – почти всегда обман? Физики приняли дефект кристалла за великое открытие
Представьте себе: вы учёный, и вам кажется, что вы стоите на пороге великого открытия. Явление, которое вы наблюдаете, может перевернуть наши представления о поведении материи на фундаментальном уровне. Примерно такие чувства, должно быть, испытали физики из японского исследовательского института RIKEN, когда столкнулись с весьма загадочным поведением электронов. Но, как это нередко бывает в науке, дорога к истине оказалась извилистой, а результат — неожиданным, но оттого не менее ценным.
Так что же это за зверь такой — спонтанное нарушение симметрии?
Чтобы понять суть волнений и последующих открытий команды Кристофера Батлера из Центра науки об эмерджентных материалах RIKEN, нужно сперва разобраться с одним из ключевых понятий современной физики — симметрией. В самом общем смысле, система симметрична, если она остается неизменной при каких-либо преобразованиях. Например, идеальный шар выглядит одинаково, как его ни крути.
Но что, если эта идеальная симметрия вдруг… нарушается? И не под внешним воздействием, а как бы сама по себе? Это и есть спонтанное нарушение симметрии (СНС). Кристофер Батлер метко подмечает, что это явление — «фундаментальной важности, в основе физики фазовых переходов». Проще говоря, СНС лежит в основе множества процессов: от банального замерзания воды, когда хаотично движущиеся молекулы жидкости вдруг выстраиваются в упорядоченную кристаллическую решетку (нарушая изначальную симметрию пространства), до куда более экзотических вещей. Помните знаменитый бозон Хиггса, «частицу Бога»? Считается, что именно благодаря механизму, связанному с СНС, частицы в ранней Вселенной обрели массу.
Классический пример, который приводят для иллюстрации СНС, — это шарик, балансирующий на самой вершине идеально симметричного холма. Пока он наверху, система симметрична. Но малейшее возмущение — и шарик скатится вниз, выбрав какое-то одно случайное направление, тем самым нарушив изначальную симметрию. При этом законы физики, управляющие его движением, сами по себе никакого предпочтительного направления не задавали!
Электронные «волны» в одну сторону: почти открытие века?
Команда Батлера как раз и охотилась за проявлениями СНС, но не в масштабах Вселенной, а в мире электронов, этих крошечных тружеников, определяющих свойства материалов. Обнаружить СНС в коллективном поведении электронов — это всё равно что найти новый ключ к пониманию экзотических состояний вещества, таких как сверхпроводимость или необычные магнитные свойства.
И вот, удача, казалось бы, улыбнулась исследователям. Изучая с помощью сканирующего туннельного микроскопа поверхность кристаллов сульфида циркония-кремния, они заметили нечто невероятное. Электроны вели себя так, словно забыли о своей «электронной» свободе и двигались преимущественно вдоль одной оси. «Мы были чрезвычайно удивлены и взволнованы, — вспоминает Батлер. — Это было похоже на то, как если бы вы бросили камень в пруд и увидели, что рябь расходится только влево и вправо, а не во всех направлениях». Картина действительно выглядела как «неопровержимое доказательство СНС в электронной жидкости». Представьте себе восторг учёных!
Тревожные звоночки и десять недель под микроскопом
Однако эйфория длилась недолго. В науке, как и в хорошем детективе, дьявол кроется в деталях. Батлер и его коллеги заметили одну странность: степень нарушения симметрии, то есть то, насколько явно электроны предпочитали одно направление, менялась от образца к образцу. А вот это уже было совсем не похоже на истинное СНС, которое должно быть фундаментальным свойством самой системы, а не зависеть от конкретного кристалла, если он, конечно, идеален.
И вот тут-то и началась самая кропотливая работа. Физикам пришлось провести, как они сами выразились, «очень трудоемкие измерения». Шутка ли — десять недель неотрывно следить за поведением примерно сотни одних и тех же атомов! Это требовало невероятной стабильности оборудования и огромного терпения.
Виновник найден: коварная деформация
Результат этих титанических усилий оказался обескураживающим и одновременно поучительным. Оказалось, что никакого спонтанного нарушения симметрии в электронах не было. А загадочное поведение частиц было вызвано… мельчайшими, почти невидимыми деформациями в самой кристаллической решетке. Эти крошечные искажения, или, говоря научным языком, остаточные напряжения (residual strain), возникали еще на этапе изготовления образцов.
«Мы обнаружили явление, которое внешне напоминало СНС, но на самом деле оказалось подделкой, — констатирует Батлер. — Неидеальная реальность настоящих материалов (крошечные, но повсеместные искажения) сумела подсунуть нам очень убедительную имитацию». По сути, эти микроскопические «неровности» в кристалле создавали для электронов своего рода выделенные «дорожки», вдоль которых им было легче двигаться. Это и создавало иллюзию нарушенной симметрии.
Не СНС, но тоже полезно? И что теперь?
Казалось бы, история о разочаровании. Но не всё так просто. Во-первых, само по себе обнаруженное явление — влияние микродеформаций на поведение электронов — может найти практическое применение. Например, в так называемой деформационной инженерии (strain engineering), где целенаправленное создание напряжений в материалах позволяет управлять их электронными или оптическими свойствами. Представьте, вы слегка «сжимаете» или «растягиваете» кристалл, и он начинает лучше проводить ток или светиться другим цветом. Перспективы заманчивые!
Но гораздо важнее другой вывод, который делает Батлер. Это исследование бросает тень сомнения на некоторые предыдущие работы, где сообщалось о наблюдении СНС в электронных системах. «Многие результаты, включая некоторые весьма громкие, возможно, потребуют пересмотра, — говорит он. — Если в какой-либо работе заявляется о наблюдении электронного поведения с нарушением симметрии, теперь бремя доказательства того, что это не вызвано остаточной деформацией, лежит на авторах».
По сути, команда RIKEN подняла планку требований к доказательствам в этой области физики. Теперь учёным, заявляющим об открытии СНС, придётся очень тщательно проверять свои образцы на наличие скрытых дефектов и напряжений, способных имитировать искомый эффект.
Охота продолжается
Несмотря на то, что в этот раз «фантомная симметрия» обвела учёных вокруг пальца, Кристофер Батлер и его команда не собираются сдаваться. Поиск истинных примеров спонтанного нарушения симметрии в электронных жидкостях кристаллов продолжается. Ведь каждое такое открытие — это шаг к более глубокому пониманию мира, в котором мы живём.
А эта история — яркий пример того, как работает наука. Она полна не только триумфов, но и ошибок, неожиданных поворотов и тщательной проверки фактов. И даже «неудавшееся» открытие может привести к важным выводам и сделать научное знание более точным и надёжным. Честно говоря, это и есть самое увлекательное в научном поиске!
