Примушені рухатися лабіринтом вуглецевих атомів, унікально розташованих у скручених шарах, електрони поводяться доволі незвично.
Дослідники з Університету Британської Колумбії (Канада), Університету Вашингтона та Університету Джонса Гопкінса (США), а також Національного інституту матеріалознавства (Японія) нещодавно виявили новий дивний стан матерії у процесах струму, що протікає через шари графену.
Ці результати підтверджують теоретичні передбачення щодо поведінки електронів у кристалічних структурах і можуть допомогти розробити нові підходи до квантових обчислень або навіть знайти шляхи до створення надпровідників, що працюють за кімнатної температури.
“В основі цього дослідження – два шари графену, які складаються з вуглецевих атомів, організованих у стільникову структуру”, – пояснює провідний автор дослідження Джошуа Фолк, фізик-конденсатник з Університету Британської Колумбії.
“Те, як електрони перескакують між вуглецевими атомами, визначає електричні властивості графену, які загалом подібні до властивостей звичайних провідників, таких як мідь”.
За останні десятиліття графен зарекомендував себе як матеріал із унікальними властивостями. Його решітка вуглецевих атомів дозволяє електронам вільно переміщатися, як фішки у грі квантових шашок.
Фізики постійно змінюють правила цієї гри, відкриваючи нові способи модифікації електричного опору або організації електронів у незвичайні стани. Саме тому графен є ідеальним середовищем для дослідження низькоопірної електропровідності та вивчення меж квантових ефектів.
Одним із таких ефектів є “заморожування” електронів у фіксованих положеннях, що перетворює їх із рідкоподібної маси на структуровану решітку. Цей стан, відомий як кристал Вігнера, має передбачувані форми та властивості, які, як вважалося, добре зрозумілі.
У своїх експериментах дослідники скрутили шари графену таким чином, щоб невикористані електрони утворювали так званий ефект муару (moiré).
Ефекти муару можна побачити у повсякденному житті – наприклад, коли накладаються сітки або екрани, створюючи повторювані лінії, кола чи хвилі через взаємодію світлих і темних областей.
У випадку графену ці контрастні структури змінюють геометрію електронів, що призводить до змін у їхній швидкості, а деякі навіть починають обертатися при русі вздовж країв матеріалу.
“Це призводить до парадоксальної поведінки топологічного електронного кристалу, не схожої на звичайні кристали Вігнера – попри впорядковане розташування електронів, він все одно може проводити струм уздовж своїх меж”, – зазначає Фолк.
У цьому дивному новому світі електронної поведінки виникають незвичайні явища, такі як квантування опору, відоме як квантовий ефект Хола.
Такі нові стани топологічної активності можуть стати справжньою знахідкою для фізиків, які шукають способи створення квантових обчислювальних елементів (кубітів), більш стійких, ніж традиційні, що базуються на фундаментальних частинках.
Маніпуляції зі структурою графену можуть бути лише початком. Геометрія на такому рівні здатна відкрити цілий світ нових електронних квазічастинок із унікальними квантовими властивостями.