Физики из нескольких стран создали необычный материал – топологический электронный кристалл (ТЭК), в котором впервые удалось наблюдать квантовый эффект Холла без внешнего магнитного поля. Этого успеха добилась команда под руководством Джоша Фолка из Университета Британской Колумбии.
Чтобы понять значимость открытия, стоит разобраться в физике процесса. В классических проводниках электроны, встречая на своем пути магнитное поле, отклоняются от прямой траектории. В материале возникает напряжение, направленное перпендикулярно и току, и магнитному полю – это явление называют эффектом Холла. Если же взять двумерную электронную систему и охладить ее почти до абсолютного нуля, картина меняется: холловское сопротивление начинает меняться не плавно, а резкими скачками.
Обычно эффект Холла можно наблюдать в особых структурах – электронных кристаллах, или кристаллах Вигнера. В них электроны выстраиваются в упорядоченную решетку благодаря силам отталкивания между частицами. До недавнего времени считалось, что для создания подобной структуры обязательно нужно внешнее магнитное поле. Однако теоретики предполагали: в топологических электронных кристаллах может возникать похожее явление – квантовый аномальный эффект Холла – даже без магнита.
“Теоретики давно предполагали возможность существования особых структур, которые мы называем аномальными холловскими кристаллами”, – объясняет Фолк . “Такой кристалл необычен тем, что внутри него электроны словно застывают на месте, превращая материал в изолятор. При этом по краям структуры электрический ток движется совершенно свободно, без каких-либо потерь – это напоминает поведение сверхпроводников”.
История открытия началась в лаборатории Университета Вашингтона, где ученые исследовали свойства многослойного графена. Они брали несколько слоев материала – тончайшие углеродные листы толщиной всего в один атом – и накладывали их друг на друга под разными углами. При наложении двух регулярных структур возникает новый узор – его называют муаровым.
Среди десятков тысяч комбинаций внимание Дейсена Уотерса из Вашингтонского университета привлекла одна особенная структура. В отличие от остальных образцов, где муаровые узоры были хаотичными, в этом случае узор получился на удивление упорядоченным.
“Когда Уотерс показал нам этот образец, мы решили изучить его в нашем специальном холодильнике – рефрижераторе растворения”, – рассказывает Фолк. “Этот прибор может охладить образец почти до абсолютного нуля, что позволяет увидеть тончайшие магнитные эффекты, которые иначе теряются в тепловом шуме”.
Выяснилось, что муаровый узор в этом образце влияет на поведение электронов так же, как магнитное поле в обычных кристаллах Вигнера. Ключом к успеху стала точность угла между слоями: при повороте ровно на 1,5 градуса двухслойный графен, наложенный на трехслойный, образует идеальную структуру для возникновения топологического электронного кристалла.
Чтобы понять уникальность этого явления, представьте себе группу танцоров. Без музыки каждый движется как хочет – так же хаотично, как электроны в обычном проводнике. Когда начинает играть музыка (аналог магнитного поля), танцоры выстраиваются в определенном порядке, подчиняясь общему ритму. В новом же материале электроны сами организуются в четкий порядок, но без всякого внешнего воздействия – исключительно благодаря особой геометрии графеновых слоев.
Открытие подтвердило теоретические предсказания, которым уже несколько десятилетий. Но главное – оно открывает путь к созданию принципиально новых квантовых устройств. “Самое интересное может быть впереди”, – считает Фолк. “ТЭК сам по себе или в комбинации со сверхпроводником может стать домом для необычных квазичастиц. Хотя они будут состоять из обычных электронов, их свойства окажутся совершенно иными – например, они могут нести дробный электрический заряд. Такие частицы идеально подойдут для создания топологических кубитов – основы квантовых компьютеров нового поколения”.