Физики из Инсбрука воплотили задачу 1904 года в золотых каплях

В Инсбруке группа Пауля Шайера впервые воспроизвела в лаборатории задачу Томсона, поставленную в 1904 году. Её суть — найти расположение одинаковых зарядов на сфере, при котором энергия минимальна. Автором задачи был нобелевский лауреат Джозеф Дж. Томсон. Стивен Смейл в 1998 году внёс её под седьмым номером в перечень 18 ключевых задач XXI века. Об этом сообщает Уфа Live.

Точные решения пока есть только для нескольких малых систем. При этом понимание таких конфигураций помогает изучать вирусы, фуллерены и коллоидные оболочки. Экспериментаторы использовали нанокапли сверхтекучего гелия, охлаждённые до нескольких десятых градуса выше абсолютного нуля. Электронный пучок многократно сообщал им заряд.

Заряды выходили на поверхность капли и выстраивались почти без помех. Затем капли пропускали через пары золота. Атомы металла осаждались в центрах зарядов, формируя наночастицы примерно из 700 атомов. При попадании на сетку для просвечивающего электронного микроскопа гелий испарялся, а золото сохраняло отпечаток исходной конфигурации.

Исследователи изучили 25 отпечатков, где на каждую каплю приходилось от пяти до 36 зарядов. Картина совпала с теоретическими конфигурациями минимальной энергии. У более крупных капель радиусом до микрометра возникла гексагональная решётка. В ней присутствовали изолированные пятиугольные дефекты, без которых нельзя покрыть искривлённую поверхность.

Результаты опубликованы в Physical Review Letters. Соавтор работы Шенгфу Янг из Лестерского университета считает, что подход переворачивает привычную связь теории и опыта: теперь природа предлагает решения, а математика объясняет увиденное. В дальнейшем авторы хотят усовершенствовать метод, чтобы фиксировать искажения при большом количестве зарядов, и проверить упорядочение на искривлённых поверхностях сложной формы.