Дослідники з Університету Британської Колумбії в Канаді, Університету Вашингтона, Університету Джона Гопкінса в США та Національного інституту матеріалознавства в Японії нещодавно виявили новий незвичайний стан речовини в динаміці струмів, що протікають через шари графену. Це відкриття може надати нові ідеї для створення надійних підходів до квантових обчислень або допомогти розробити надпровідники, здатні працювати при кімнатній температурі, пише T4.
Основи дослідження графену
“В основі цього дослідження лежать два шари графену, які складаються з атомів вуглецю, організованих у структуру медових сот”, — пояснює провідний автор дослідження Джошуа Фолк, фізик-конденсаторник з Університету Британської Колумбії.
“Спосіб, яким електрони перескакують між атомами вуглецю, визначає електричні властивості графену, які на перший погляд схожі на властивості звичних провідників, таких як мідь”.
Протягом останніх десятиліть графен вважається матеріалом із дивовижними властивостями, адже його структура дозволяє електронам переміщатися, як фішки в грі квантових шашок. Через це графен став ідеальним середовищем для досліджень низькоомної провідності та тестування меж різних квантових ефектів.
Вплив топології та кристалізація електронів
Одним із таких квантових ефектів є “замороження” електронів у фіксованих позиціях, що перетворює їх з рідкоподібної маси на структурований масив. Цей стан, відомий як Вігнерівський кристал, має характерні форми і поведінку, які, як вважалося, були добре зрозумілі вченими.
Проте у своїх експериментах дослідники скрутили шари графену так, що атоми вуглецю вирівнялися у візерунок, відомий як ефект муару. Такий ефект можна помітити і в повсякденному житті: наприклад, він з’являється у вигляді смуг або кіл, коли накладати один на одного сітки чи екрани.
Новий парадоксальний електронний кристал
“Це призводить до парадоксальної поведінки топологічного електронного кристалу, яку не спостерігали у традиційних кристалах Вігнера, — незважаючи на те, що електрони формують впорядковану структуру, кристал все одно здатний проводити електричний струм вздовж своїх меж”, — зазначає Фолк.
Ця дивна поведінка електронів відкриває шлях до нових квантових явищ, таких як квантування опору, відоме як ефект квантового Холла.
Перспективи для квантових обчислень
Нові топологічні стани електронної активності можуть стати справжньою золотою жилою для фізиків, які шукають способи створення квантових обчислювальних блоків (кубітів), стійкіших до збоїв порівняно з традиційними моделями.
Скручування вузьких шарів графену може дати ефект, схожий на електронний аналог стрічки Мебіуса, і це лише початок. Геометрія на такому масштабі теоретично може створити цілий “зоопарк” електронних квазічастинок із несподіваними квантовими властивостями.
Таким чином, відкриття нового класу квантових станів у графені відкриває нові горизонти в дослідженнях надпровідності та квантових обчислень, потенційно змінюючи наше розуміння природи матерії на фундаментальному рівні.
