Efter nästan 50 års väntan har forskare vid Princeton University för första gången direkt observerat Hofstadters fjäril – ett fascinerande fraktalt mönster i elektroners energinivåer som förutsades av Douglas Hofstadter i hans banbrytande arbete från 197613.
Upptäckten skedde helt av en slump när forskarna egentligen undersökte supraledningsegenskaper i tvinnad dubbelskiktad grafen34. Teamet misslyckades med att uppnå den exakta vinkeln de eftersträvade, men istället för att överge experimentet fortsatte de sina undersökningar och upptäckte något oväntat – det tydliga mönstret av Hofstadters fjäril17.
En kvantmekanisk fjäril tar form
Hofstadters fjäril uppstår när elektroner i tvådimensionella kristaller utsätts för ett starkt magnetfält, vilket skapar ett karakteristiskt fraktalt energispektrum5. Mönstret liknar en fjärils vingar och är särskilt anmärkningsvärt eftersom det är ett av få kända exempel på fraktaler i kvantvärlden35.
Forskarna använde ett sveptunnelmikroskop (STM) för att avbilda moiré-supergittret som bildas när två grafenskikt placeras ovanpå varandra med en specifik vridningsvinkel3. Detta gjorde det möjligt att direkt visualisera energinivåerna hos elektronerna och bekräfta det fraktala mönster som Hofstadter hade förutsagt15.
Betydelsen av upptäckten
Denna upptäckt är betydelsefull av flera anledningar:
- Det är ett sällsynt exempel på ett problem inom kvantmekaniken som kan lösas exakt utan approximationer57.
- Experimentet avslöjade att elektron-elektron-interaktioner, som inte ingick i Hofstadters ursprungliga beräkningar, spelar en viktig roll i systemet38.
- Fenomenet kan potentiellt leda till nya insikter om topologiska kvanttillstånd och bidra till utvecklingen av framtida kvantteknologier36.
Kevin Nuckolls, en av studiens medförfattare, betonade det anmärkningsvärda i upptäckten: ”Sedan Hofstadters ursprungliga arbete har det funnits många experiment och fantastiska artiklar i ämnet, men före vårt arbete hade ingen någonsin faktiskt visualiserat detta vackra energispektrum”57.
Studien, som publicerades i Nature i februari 2025, visar hur serendipitet – lyckliga tillfälligheter – fortfarande spelar en viktig roll i vetenskapliga genombrott47. Som Nuckolls uttryckte det: ”Ibland är naturen snäll mot dig”7.
Citations:
- https://www.scientificamerican.com/article/the-first-sightings-of-hofstadters-butterfly-emerged-from-a-happy-accident/
- https://www.youtube.com/watch?v=TcTOpeSXtng
- https://dailygalaxy.com/2025/03/50-years-later-scientists-just-found-a-quantum-butterfly-hiding-in-graphene/
- https://www.yahoo.com/news/butterfly-effect-misaligned-experiment-accidentally-232605511.html
- https://phys.org/news/2025-02-hofstadter-butterfly-quantum-fractal-patterns.html
- https://www.sci.news/physics/article01083-hofstadter-butterfly.html
- https://www.earth.com/news/quantum-fractal-pattern-predicted-50-years-ago-observed-in-lab-hofstadters-butterfly/
- https://bioengineer.org/visualizing-quantum-fractal-patterns-a-new-scientific-breakthrough/
- https://www.youtube.com/watch?v=xBG-f9JIhwg
- https://www.nature.com/articles/nature12186
- https://scitechdaily.com/hofstadters-butterfly-lands-at-last-a-50-year-quantum-mystery-solved/
- https://www.youtube.com/watch?v=1JdS-1-yYu8
- https://www.newscientist.com/article/2470028-physicists-capture-a-strange-fractal-butterfly-for-the-first-time/
- https://advancedcarbonscouncil.org/blogpost/2151389/509159/50-Years-Later-Scientists-Just-Found-a-Quantum-Butterfly-Hiding-in-Graphene&
- https://en.wikipedia.org/wiki/Hofstadter’s_butterfly
- https://lifeboat.com/blog/2025/03/hofstadters-butterfly-lands-at-last-a-50-year-quantum-mystery-solved
- https://phy.princeton.edu/news/quantum-fractal-patterns-visualized
- https://phsites.technion.ac.il/avron/wp-content/uploads/sites/3/2013/08/rome4.pdf
- https://x.com/physorg_com/status/1894946781965734379
- https://arxiv.org/abs/2501.04777
- https://bsky.app/profile/quantum-magazine.bsky.social/post/3lkwp223eac23
- https://www.instagram.com/scienceacademyy/p/DHmD8lISh4O/
- https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.126601
- https://link.aps.org/doi/10.1103/Physics.13.187
- https://quantumgravityresearch.org/portfolio/butterfly-in-the-quantum-world/
- https://www.ucf.edu/news/scientists-capture-first-direct-proof-of-hofstadter-butterfly-effect/
- https://www.linkedin.com/pulse/hofstadters-butterfly-sachidanand-p-s
Answer from Perplexity: pplx.ai/share
