В MIT открыли электронный лёд: представлено новое квантовое состояние в ультратонком графене

В мире квантовой механики, где привычные законы физики перестают работать, ученые то и дело натыкаются на совершенно неожиданные явления. Недавнее открытие физиков из MIT — одно из таких. Они обнаружили, что электроны в ультратонких материалах могут замерзать, образуя своеобразный электронный «лёд», который сосуществует с другими экзотическими квантовыми состояниями. Это открытие, опубликованное в журнале Nature, открывает новые горизонты для понимания поведения электронов в необычных условиях и может привести к революционным технологиям будущего.

Золотая жила графена: что такое ромбоэдрический пентаслойный графен?

Речь идет о ромбоэдрическом пентаслойном графене — необычной модификации хорошо знакомого нам графена. Графен, в свою очередь, это лист углерода толщиной в один атом, напоминающий пчелиные соты. Он обладает исключительной прочностью и электропроводностью. Ромбоэдрический пентаслойный графен отличается тем, что состоит из пяти слоев графена, уложенных особым образом. Именно эта сложная структура придает материалу уникальные свойства, которые и стали предметом изучения команды Луна Цзюя.

Как выразился сам Цзюй, «мы нашли золотую жилу, и каждая лопата открывает что-то новое». И действительно, с момента открытия этого материала ученые продолжают находить в нём всё новые и новые удивительные свойства.

Квантовый «сэндвич» и фракционирование электронов

Исследования проводились с использованием сложной структуры: ромбоэдрический пентаслойный графен помещался между слоями гексагонального нитрида бора, образуя своего рода квантовый «сэндвич». Применяя различные напряжения к этой структуре, ученые обнаружили, что электроны могут вести себя совершенно неожиданным образом.

Одной из самых поразительных находок стало явление фракционирования электронов. В определенных условиях электроны, казалось, расщеплялись на части самих себя, проявляя так называемый дробный квантовый эффект Холла. Этот эффект, ранее наблюдавшийся только в сложных системах при сильных магнитных полях, в новом материале проявлялся без внешнего магнитного поля.

Электронный «лёд» и «реки» квантовых состояний

Новые эксперименты, проведенные при температурах, близких к абсолютному нулю (всего 30 милликельвинов!), принесли еще более сенсационные результаты. Ученые обнаружили, что в этих условиях электроны могут не только «расщепляться», но и замерзать, образуя своего рода электронный «лёд».

Это состояние сосуществует с уже известным дробным квантовым эффектом Холла. Цзюй проводит интересную аналогию: представьте себе карту, где нанесены «реки» из электронов, находящихся в жидком состоянии (соответствующие дробному квантовому эффекту Холла), прорезающие «ледники» из замерзших электронов (соответствующие электронному «льду»). Управляя напряжением, можно менять конфигурацию этого квантового «ландшафта».

Перспективы и будущее ультратонкой электроники

Открытие электронного «льда» — это не просто курьезный научный факт. Это еще один шаг к созданию новых, более совершенных электронных устройств. Возможность управлять состоянием электронов в ультратонких материалах открывает двери к созданию квантовых компьютеров, сверхпроводников и других передовых технологий.

Важно отметить, что обнаруженные явления наблюдались не только в пентаслойном, но и в четырехслойном ромбоэдрическом графене. Это указывает на то, что обнаруженное поведение характерно для целого класса материалов, и что это может быть только началом целой серии открытий в этой области.

Исследования продолжаются, и, как знать, какие еще удивительные свойства откроет нам эта «золотая жила» графена в будущем. Одно можно сказать наверняка: мир ультратонкой электроники полон сюрпризов, и нас ждут еще более захватывающие открытия.