Тонкая проволока из особого материала — топологического изолятора — ведёт себя как городская улица: внутри она пустая, а весь транспорт идёт по краям. Электроны в такой проволоке движутся только по поверхности, словно пешеходы по тротуару, не заходя на проезжую часть. Но если на улице беспорядок — ямы, лужи, строительные заборы, — пешеходы начинают спотыкаться, а электроны — рассеиваться и застревать.

Учёные добавили к этой картине магнитное поле, проходящее сквозь проволоку, как поток машин, который регулирует светофор. Оказалось, что при определённой силе этого потока — половине кванта магнитного потока — беспорядок перестаёт мешать. Электроны, которые раньше застревали на каждом шагу, вдруг начинают свободно бежать по краю проволоки. Это похоже на то, как если бы все ямы на тротуаре разом исчезли, и пешеходы пошли бы ровным шагом.

Исследователи измерили, насколько далеко электрон может пройти, не застряв, — это расстояние называется длиной локализации. Оказалось, что вблизи этого особого значения магнитного потока длина локализации резко возрастает — как если бы тротуар стал идеально ровным на многие километры. Удивительно, что это свойство не зависит от того, сколько беспорядка в проволоке и какова энергия электронов: всегда получается одно и то же число, характеризующее переход.

Это число — показатель степени, с которым растёт длина локализации при приближении к особому потоку. Оно равно двум. Для сравнения, в другом известном квантовом явлении — целочисленном квантовом эффекте Холла — этот показатель другой. Значит, переход в топологической нанопроволоке устроен иначе, и это важно для понимания того, как управлять электронами в наномасштабе.

При другом значении магнитного потока — целом кванте — поведение проволоки меняется: при низкой энергии электронов проводимость падает, а при высокой — наоборот, возрастает. Это как если бы на той же улице в одном случае появлялись дополнительные ямы, а в другом — наоборот, укладывали новый асфальт. Понимание таких переходов поможет создавать более надёжные и быстрые электронные устройства, где ток идёт без потерь.