Лист графена толщиной в один атом — как идеально ровная скатерть, по которой катятся электронные шарики. Поставьте на пути этих шариков электрический барьер — и обычно они отскочат назад. Но в графене всё иначе: при некоторых условиях электроны проходят сквозь барьер, даже не заметив его, словно стена из тумана.
Авторы новой работы рассмотрели двумерную модель электронов в графене под действием настраиваемого электрического поля. Это поле можно плавно превращать из сплошного барьера в цепочку отдельных препятствий. Оказалось, что в такой системе возникает супер-клейновское туннелирование — полное прохождение частиц без отражения. Секрет в том, что модель математически связана со свободным движением частиц: барьер как будто исчезает для электронов с определённой энергией.
Эту связь удалось увидеть благодаря методам суперсимметричной квантовой механики — изящному математическому инструменту, который позволяет переформулировать сложную задачу в более простую. Кроме того, модель обладает масштабной инвариантностью: если изменить размеры системы, физика не меняется. А для частиц с конкретной энергией потенциал становится полностью невидимым. Авторы обсуждают, как реализовать такую систему в эксперименте — например, с помощью затворов, создающих нужное электрическое поле над графеном.
Такой «невидимый» транспорт электронов может пригодиться в электронике будущего: если частицы не рассеиваются на препятствиях, устройства будут работать быстрее и с меньшими потерями. Лист графена снова оказывается скатертью-самобранкой, но теперь уже для квантовых чудес.
Графен — самый тонкий материал в мире: лист площадью в футбольное поле весил бы меньше одного грамма.
Идея невидимых барьеров напоминает фазовые щиты из «Звёздного пути», которые пропускают одни частицы и задерживают другие.