Вимушені бігти лабіринтом атомів вуглецю, унікально розташованих у скручених стосах, електрони роблять деякі досить дивні речі.
Дослідники з Університету Британської Колумбії в Канаді, Університету Вашингтона та Університету Джонса Хопкінса в США, а також Національного інституту матеріалознавства Японії нещодавно виявили дивний новий стан речовини в динаміці струмів, що протікають через шари графену. Це дослідження було опубліковано в Nature.
Результати підтверджують прогнози про те, як електрони повинні поводитися, бувши стислими в кристалічні структури, і можуть внести нові ідеї про те, як досягти надійних підходів до квантових обчислень або розкрити способи розвитку надпровідності при кімнатній температурі.
"Відправною точкою для цієї роботи є дві лусочки графену, які складаються з атомів вуглецю, розташованих у стільниковій структурі", - говорить старший автор дослідження Джошуа Фолк, фізик конденсованого стану в Університеті Британської Колумбії.
«Те, як електрони стрибають між атомами вуглецю, визначає електричні властивості графену, який зрештою стає зовні схожим на найпоширеніші провідники, такі як мідь».
В останні десятиліття графен все частіше розглядався як щось подібне до чудового матеріалу, його грати атомів вуглецю пов'язані таким чином, що дозволяє вільним електронам стрибати, як фішки в грі у квантові шашки.
Фізики постійно порушували правила цієї гри, знаходячи нові та незвичайні способи зміни властивостей опору чи координації в екзотичні стани. З цих причин графен став ідеальним ігровим майданчиком для пошуку підказок про провідність із низьким опором або перевірки меж різних квантових ефектів.
Одним із таких ефектів є «заморожування» електронів в обмежених положеннях, що фактично перетворює їх із текучої рідиноподібної маси на щось зі структурою. Відома як Вігнерів кристал, ця фаза електронів має характерні форми та поведінку, які, як вважали дослідники, вони добре зрозуміли.
У цій серії експериментів дослідники скручували стоси одноатомних листів графену таким чином, що змушували незв'язані атоми вуглецю вишиковуватися в тому, що описується як ефект муара.
Ефекти муара нескладно виявити у нашому повсякденному світі. Спостережені в стопках сіток або екранів, вони виглядають як лінії, що повторюються, кола або криві, коли контрасти в темряві й світлі, що становлять сітку, об'єднуються або скасовуються.
Тільки у цьому випадку контрастні структури в скрученому графені порушують геометрію електрона чи те, що називається топологією його ландшафту. Результатом є зміна швидкості електрона, а деякі навіть розвивають скручування під час руху вздовж країв матеріалу.
"Це призводить до парадоксальної поведінки топологічного електронного кристала, що не спостерігалося у звичайних кристалах Вігнера у минулому - попри те, що кристал формується при заморожуванні електронів у впорядкований масив, він, проте, може проводити електрику по своїх кордонах", - говорить Фолк.
Саме в цій дивній новій галузі поведінки електронів виникають дивні дії, такі як квантування опору, відоме як квантовий ефект Холла.
Нові стани топологічної активності, подібні до цього, є потенційною золотою жилою для фізиків, які прагнуть дослідити способи створення квантових обчислювальних одиниць, відомих як кубіти, які більш стійкі, ніж звичайні види, засновані на фундаментальних частинках.
Викривлення вузьких стопок графену в електронний еквівалент стрічки Мебіуса може бути лише початком. Геометрія в цьому масштабі, як передбачається, створить дивний зоопарк електронних квазічастинок з усіма видами нової фізики, що перекручена.
