Слои меняют характер материала экспресс
Лист теллурида вольфрама толщиной в один атом напоминает тонкую фольгу: сквозь неё электроны не проходят, потому что между их возможными состояниями лежит запрещённая зона — как ров, который нельзя перепрыгнуть. Добавили ещё два слоя — и ров исчез, материал стал металлом, ток пошёл. А когда слоёв стало больше, свойства снова изменились, будто кто-то переключает режимы одной кнопкой.
Исследователи снимали электронную структуру методом фотоэмиссии: свет выбивал электроны из образца, и по их скоростям можно было понять, какие состояния заняты. Оказалось, что при переходе от одного слоя к трём запрещённая зона схлопывается, а при дальнейшем росте толщины электронные зоны сходятся и расходятся, словно дыхание. Расчёты показали: топологический индекс — число, которое говорит, есть ли у материала особые проводящие каналы на краях, — скачет между нулём и единицей с каждым новым слоем.
Когда зоны проводимости и валентная зона соприкасаются в одной точке, материал становится вейлевским полуметаллом: электроны в нём движутся так, будто у них нет массы, и разделяются на левые и правые, как пары перчаток. Такое поведение описывается числом Черна — оно показывает, сколько «вихрей» в электронной структуре. Чем толще кристалл, тем сложнее узор из этих вихрей.
Это похоже на настройку музыкального инструмента: каждая новая струна-слой меняет не только громкость, но и сам тембр. Инженеры, которые собирают электронику из слоёных материалов, получают не просто переключатель «вкл/выкл», а целую гамму состояний — от изолятора до полуметалла с безмассовыми электронами.
Теллурид вольфрама в виде одного слоя — изолятор, а в виде трёх слоёв — металл. Добавили два атомных слоя — и ток потёк.