Как плоская зона делает пару электронов крошечной экспресс
В сверхпроводнике электроны объединяются в пары, словно танцоры, взявшиеся за руки. Обычно расстояние между ними — размер пары — зависит от того, как быстро они движутся и насколько сильно связаны. Но иногда танцпол почти исчезает, и двигаться некуда. Такое случается в материалах с плоскими энергетическими зонами: здесь электроны почти замирают, и привычные правила перестают работать.
Физики нашли новый способ измерить размер таких пар, используя понятие квадрупольного момента — что-то вроде распределения заряда внутри пары. Главный сюрприз: когда в материале нарушена симметрия времени (например, магнитным полем), в игру вступает кривизна Берри — геометрическая характеристика волны электрона, похожая на искривление пространства для его внутреннего состояния. Она способна сжимать пару до предела, задавая минимально возможный размер.
Применив теорию к ромбоэдрическому графену — слоистому материалу из углерода с плоскими зонами, — учёные увидели, что именно кривизна Берри определяет размер пар. Расчётные значения совпали с длинами когерентности, известными из экспериментов: около 30–50 нанометров. Для сравнения, это в сотни раз меньше толщины человеческого волоса. Так геометрия волновых функций напрямую управляет сверхпроводимостью на микроуровне.
В ромбоэдрическом графене кривизна Берри может сделать куперовские пары настолько маленькими, что они поместились бы внутри вируса.
В романе «Ложная слепота» Питера Уоттса сверхпроводящие структуры на основе углерода существуют в экстремальных условиях — похоже на графеновые системы, где геометрия электронных волн играет ключевую роль.