Ученые обнаружили необычный квантовый режим в углеродных пленках, который ломает привычную границу между плоским и объемным мирами. Оказалось, что при толщине ровно от двух до пяти нанометров электроны начинают двигаться по совершенно новым правилам, формируя так называемую «трансмерную» фазу материи.
В физике твердого тела разделение на двумерное (2D) и трехмерное (3D) пространство обычно проводится довольно жестко. Есть графен — идеальный 2D-кристалл толщиной ровно в один атом, где электроны бегают строго в пределах одной плоскости. А есть графит — классический объемный материал, в котором частицы свободно перемещаются во всех направлениях, пока не столкнутся друг с другом или с кристаллической решеткой.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Логично предположить: если начать аккуратно складывать слои графена друг на друга, в какой-то момент плоский материал просто превратится в трехмерный графит. Однако команда физиков под руководством Лэй Вана из Нанкинского университета (в состав которой вошел и «отец» графена, нобелевский лауреат Константин Новоселов) решила внимательно изучить самую слепую зону этого перехода. Результат их экспериментов, опубликованный в журнале Nature, описывает принципиально новый класс электронного транспорта.
В научно-популярных заметках находку уже окрестили «странным трансмерным состоянием». Звучит как физика из вселенной Marvel, но за этим термином скрывается изящная и строгая квантовая механика.
Исследователи экспериментировали с многослойным ромбоэдрическим графеном — это особая форма тонкого графита, в которой углеродные слои сдвинуты друг относительно друга в специфическом порядке. Ученые создали образцы разной толщины (от 3 до 15 слоев) и стали измерять так называемый аномальный эффект Холла.
В классическом эффекте Холла внешнее магнитное поле отклоняет летящие по проводнику электроны к его краю, создавая поперечное напряжение. А вот аномальный эффект Холла возникает без сильного магнита снаружи — электроны в материале отклоняются сами по себе из-за внутренней намагниченности или сложной топологии кристалла.
В строгом 2D-мире орбиты электронов намертво заперты в плоскости листа, поэтому аномальный эффект Холла там жестко связан с перпендикулярным магнитным полем. В толстых 3D-материалах электроны движутся во всех направлениях, постоянно натыкаясь на атомы по вертикали, и эффект Холла там превращается в бледную, усредненную по толщине копию двумерного.
Но в углеродных пленках толщиной от 2 до 5 нанометров физики зафиксировали невероятное. Толщина такого «сэндвича» уже значительно больше расстояния между соседними слоями атомов, но все еще меньше длины свободного пробега, на которой электрон успевает потерять свою квантовую когерентность по вертикали.
В этом узком трансмерном окне электроны перестали вести себя как в плоском листе бумаги, но и не перешли к хаосу объемного куска угля. Вместо этого они получили возможность закручиваться в петли не только вдоль графеновой плоскости, но и сквозь нее — выныривая в третье измерение и возвращаясь обратно без потери квантовой связности.
Приборы показали, что в таком состоянии сопротивление Холла реагирует на магнитное поле одновременно и в горизонтальном, и в вертикальном направлениях. Для физики конденсированного состояния это выглядит как серьезная аномалия, нарушающая стандартные модели.
Из-за того, что в этом промежуточном слое электроны начинают экстремально сильно взаимодействовать друг с другом, они спонтанно нарушают сразу несколько фундаментальных симметрий: обращения времени, зеркальную и вращательную.
До сих пор физики искали экзотические квантовые состояния либо в идеально плоских кристаллах, либо в массивных кусках сложных сплавов. Оказалось, что целый зоопарк неизученных явлений годами прятался посередине — в материалах промежуточной толщины.
Разумеется, завтрашние смартфоны от этого открытия не станут заряжаться быстрее. Зато в перспективе понимание трансмерных состояний может подарить нам новые виды квантовой электроники и сенсоров, передающих сигнал с почти нулевой потерей энергии. А пока остается просто порадоваться за исследователей: им удалось доказать, что между 2D и 3D скрывается не просто этап скучного утолщения материала, а самостоятельная и крайне интригующая квантовая реальность.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Читайте также: Пришельцы из четвертого измерения могут вторгаться в наш мир — и мы даже не заметим это
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.