191
Вынужденные пробегать лабиринт атомов углерода, уникально расположенных в скрученных стопках, электроны производят некоторые довольно странные вещи. Исследователи из Университета Британской Колумбии в Канаде, Университета Вашингтона и Университета Джона Хопкинса в США, а также Национального института материаловедения в Японии недавно обнаружили удивительное новое состояние материи в динамике токов, протекающих через слои графена. Полученные данные подтверждают прогнозы относительно того, как должны вести себя электроны, когда они сжаты в кристаллические структуры, и могут внести свежие идеи о том, как добиться надежных подходов к квантовым вычислениям или раскрыть пути развития сверхпроводимости комнатной температуры.
«Отправной точкой для этой работы являются две пластинки графена, состоящие из атомов углерода, расположенных в сотовую структуру», — говорит старший автор исследования Джошуа Фолк, физик конденсированных систем из Университета Британской Колумбии. "То, как электроны прыгают между атомами углерода, определяет электрические свойства графена, который внешне похож на обычные проводники, такие как медь".
В последние десятилетия графен все чаще рассматривается как нечто вроде удивительного материала, его решетка атомов углерода соединена таким образом, что оставляет запасные электроны прыгать, как жетоны в игре в квантовые шашки.
Физики постоянно меняли правила этой игры, обретая новые и необычные способы изменить свойства сопротивления или координации в экзотические состояния. По этим причинам графен стал идеальной площадкой для поиска подсказок по проводимости с низким сопротивлением или проверке границ различных квантовых эффектов. Одним из таких эффектов является «замораживание» электронов в ограниченных положениях, фактически превращая их из текучей жидкой массы в нечто со структурой. Эта фаза электронов, известная как кристалл Вигнера, имеет характерные формы и поведение, которые исследователи сочли хорошо понятными.
В ходе этой серии экспериментов исследователи скрутили стопки одноатомных листов графена таким образом, чтобы заставить несвязанные атомы углерода выровняться в том, что описывается как эффект муара (произносится как mwa-ray).
Эффект муара легко найти в нашем повседневном мире. На кучах сеток или экранов они выглядят как повторяющиеся линии, круги или кривые как контрасты тьмы и света, образующие сетчатое объединение или уничтожение. Только в этом случае контрастные структуры в скрученном графене разрушают геометрию электрона или то, что называют топологией его ландшафта. Результатом является изменение скорости электронов, при этом некоторые даже развивают скручивание, когда они двигаются вдоль краев материала.
"Это приводит к парадоксальному поведению топологического электронного кристалла, которого не было в обычных кристаллах Вигнера прошлого - несмотря на то, что кристалл образуется после замораживания электронов в упорядоченный массив, он, со всем тем, может проводить электричество вдоль своих границ", - говорит Фолк.
Именно в этой причудливой новой сфере поведения электронов возникают удивительные действия, такие как квантование сопротивления, известное как квантовый эффект Холла.
Новые состояния топологической активности, подобные этому, являются потенциальной золотой жилой для физиков, стремящихся исследовать способы создания квантовых вычислительных единиц, известных как кубиты, более устойчивые, чем обычные типы, основанные на фундаментальных частицах. Превращение узких стопок графена в электронный эквивалент ленты Мёбиуса может быть только началом. Считается, что геометрия такого масштаба создает причудливый зоопарк электронных квазичастиц с разновидностями новой физики. Это исследование было опубликовано в Природа.
