Вчені виявили новий клас квантових станів у графені

Змушені пробігати лабіринт атомів вуглецю, унікально розташованих у скручених стопках, електрони роблять деякі досить дивні речі. Дослідники з Університету Британської Колумбії в Канаді, Університету Вашингтона та Університету Джона Хопкінса в США, а також Національного інституту матеріалознавства в Японії нещодавно виявили дивний новий стан матерії в динаміці струмів, що протікають через шари графену. Отримані дані підтверджують прогнози щодо того, як повинні поводитися електрони, коли вони стиснуті в кристалічні структури, і можуть внести свіжі ідеї про те, як досягти надійних підходів до квантових обчислень або розкрити шляхи розвитку надпровідності кімнатної температури.

«Відправною точкою для цієї роботи є дві пластинки графену, які складаються з атомів вуглецю, розташованих у стільникову структуру», — каже старший автор дослідження Джошуа Фолк, фізик конденсованих систем з Університету Британської Колумбії. «Те, як електрони стрибають між атомами вуглецю, визначає електричні властивості графену, який зовні схожий на звичайні провідники, такі як мідь».

Протягом останніх десятиліть графен все частіше розглядається як щось на зразок дивовижного матеріалу, його решітка атомів вуглецю з’єднана таким чином, що залишає запасні електрони стрибати, як жетони в грі у квантові шашки.

Фізики постійно змінювали правила цієї гри, знаходячи нові та незвичайні способи змінити властивості опору або координації в екзотичні стани. З цих причин графен став ідеальним майданчиком для пошуку підказок щодо провідності з низьким опором або перевірки меж різних квантових ефектів. Одним із таких ефектів є «заморожування» електронів у обмежених положеннях, фактично перетворюючи їх із текучої рідкої маси на щось зі структурою. Ця фаза електронів, відома як кристал Вігнера, має характерні форми та поведінку, які дослідники вважали добре зрозумілими.

Під час цієї серії експериментів дослідники скрутили стопки одноатомних листів графену таким чином, щоб змусити незв’язані атоми вуглецю вирівнятися в тому, що описується як ефект муару (вимовляється як mwa-ray).

Ефект муару неважко знайти в нашому повсякденному світі. На купах сіток або екранів вони виглядають як повторювані лінії, кола або криві як контрасти темряви та світла, що утворюють сітчасте об’єднання або знищення. Тільки в цьому випадку контрастні структури в скрученому графені руйнують геометрію електрона або те, що називають топологією його ландшафту. Результатом є зміна швидкості електронів, при цьому деякі навіть розвивають скручування, коли вони рухаються вздовж країв матеріалу.

«Це призводить до парадоксальної поведінки топологічного електронного кристала, якого не було у звичайних кристалах Вігнера минулого — незважаючи на те, що кристал утворюється після заморожування електронів у впорядкований масив, він, з усім тим, може проводити електрику вздовж своїх меж», — говорить Фолк.

Саме в цій химерній новій сфері 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 є більш стійкими, ніж звичайні типи, засновані на фундаментальних частинках. Перетворення вузьких стосів графену в електронний еквівалент стрічки Мебіуса може бути лише початком. Вважається, що геометрія такого масштабу створює химерний зоопарк електронних квазічастинок із різновидами нової фізики. Це дослідження було опубліковано в Nature.