Как далёкие полосы смешивают карты в квантовом мире экспресс
Два листа бумаги чуть сдвинуты — и на просвет проступает муар: тёмные и светлые полосы. Так же ведут себя слои полупроводника вроде теллурида молибдена. Их кристаллические решётки слегка повёрнуты друг относительно друга, и для электронов внутри возникает новый, более крупный узор — искусственная «сверхрешётка». В ней частицы живут по непривычным законам.
Когда электроны заполняют эту решётку на треть, они норовят выстроиться в жёсткий порядок — вигнеровский кристалл. Каждый сидит в своей ячейке, как зритель в кинозале. На две трети картина меняется: свободных мест мало, и удобнее говорить о «дырках» — отсутствии электронов. Дырки тоже могут замёрзнуть в свой кристалл. А между этими крайностями пытается уцелеть дробный черновский изолятор — состояние, где частицы текут без сопротивления, но несут лишь долю заряда.
Авторы работы обнаружили, что в игру вступают «дальние родственники» — энергетические полосы, которые обычно считают слишком высокими или низкими, чтобы влиять на происходящее. Их примешивание действует избирательно: сильно понижает энергию электронного кристалла и почти не трогает дырочный. В итоге при заполнении на одну треть электронный кристалл выигрывает конкуренцию и вытесняет дробный изолятор. А при двух третях дырочный кристалл не получает такой форы, и квантовое состояние выживает.
Так далёкие полосы, словно невидимые течения, перераспределяют силы в борьбе электронных фаз. Материал толщиной в атомный слой оказывается ареной, где сталкиваются интересы частиц и их отсутствия, а исход решает едва заметное влияние издалека. И снова муар — узор из наложенных слоёв — напоминает, что в квантовом мире даже далёкое способно смешать все карты.
Вигнеровский кристалл предсказали почти сто лет назад, но впервые увидели в скрученных материалах лишь в 2021 году — электроны выстроились в идеальную решётку, как давно мечтал Юджин Вигнер.
Идея дробного заряда, где частица «размазывается» на несколько тел, напоминает вымышленный элемент «льюис» из романа «Анафем» Нила Стивенсона — там квантовые состояния тоже переплетаются в невообразимые узоры.