Электроны, которым приходится бегать по лабиринту из атомов углерода, уникальным образом расположенных в скрученных стопках, совершают весьма странные действия.
Исследователи из Университета Британской Колумбии в Канаде, Университета Вашингтона и Университета Джона Хопкинса в США, а также Национального института материаловедения в Японии недавно обнаружили новое странное состояние материи в динамике токов, протекающих через слои графена.
Результаты исследования подтверждают предсказания о том, как должны вести себя электроны при сжатии в кристаллические структуры, и могут способствовать появлению новых идей о том, как достичь надежных подходов к квантовым компьютерам или открыть пути развития сверхпроводимости при комнатной температуре.
«Отправной точкой для этой работы стали две чешуйки графена, состоящие из атомов углерода, расположенных в сотовой структуре», — говорит старший автор исследования Джошуа Фолк, физик конденсированного состояния из Университета Британской Колумбии. «То, как электроны перемещаются между атомами углерода, определяет электрические свойства графена, который в итоге оказывается внешне похожим на более распространенные проводники, такие как медь».
В последние десятилетия графен все чаще рассматривается как чудо-материал. Его решетка из атомов углерода соединена таким образом, что свободные электроны могут прыгать между ними, как фишки в игре в квантовые шашки.
Физики постоянно изменяют правила этой игры, находя новые и необычные способы изменения свойств сопротивления или координации в экзотические состояния. По этим причинам графен стал идеальной игровой площадкой для поиска подсказок о проводимости с низким сопротивлением или проверки границ различных квантовых эффектов.
Один из таких эффектов - «замораживание» электронов в ограниченных положениях, превращающее их из текучей жидкоподобной массы в нечто структурированное. Известная как кристалл Вигнера, эта фаза электронов имеет характерные формы и поведение, которые, как полагают исследователи, им хорошо понятны.
В этом эксперименте исследователи скрутили стопки одноатомных листов графена таким образом, что заставили несвязанные атомы углерода выровняться, что получило название эффекта муара.
Эффект муара нетрудно обнаружить в нашем повседневном мире. На стопках сеток или экранов они выглядят как повторяющиеся линии, круги или кривые, когда контрасты темноты и света, составляющие сетку, сочетаются или стираются. Только в данном случае контрастные структуры в скрученном графене вносят хаос в геометрию электрона, или так называемую топологию его ландшафта. В результате скорость электрона меняется, а некоторые из них даже развивают изгиб при движении вдоль краев материала.
«Это приводит к парадоксальному поведению топологического электронного кристалла, не наблюдаемому в обычных кристаллах Вигнера прошлого — несмотря на то, что кристалл формируется при замораживании электронов в упорядоченный массив, он тем не менее может проводить электричество по своим границам», — говорит Фолк.
Именно в этом причудливом новом царстве поведения электронов возникают странные явления, такие как квантование сопротивления, известное как квантовый эффект Холла.
Новые состояния топологической активности, подобные этому, — потенциальная золотая жила для физиков, стремящихся найти способы создания квантовых компьютеров, известных как кубиты, более устойчивых, чем традиционные типы, основанные на фундаментальных частицах.
Превращение узких стопок графена в электронный эквивалент полосы Мёбиуса может быть только началом. Предполагается, что геометрия такого масштаба способна создать причудливый зоопарк электронных квазичастиц со всеми видами новой физики.