Кристалл похож на строй солдат на плацу: каждый атом на своём месте, и электроны маршируют по нему ровными волнами. Аморфный материал — это толпа на вокзале, где никакого порядка нет, одна сплошная толчея. В такой толпе электрон обычно быстро застревает, словно человек, пытающийся пройти сквозь плотную массу людей.
В новом эксперименте взяли двумерный лист из атомов углерода, связанных в беспорядочную сетку, — монослойный аморфный углерод. И измерили, как в нём распределяются электронные состояния. При низких энергиях электроны действительно запираются — их волны затухают уже через несколько атомов. Но в центре энергетической зоны, ровно при нулевой энергии, возникает странное состояние: электрон не привязан к месту, но и не распространяется, как в кристалле. Он похож на пловца в море, где волны хаотично расходятся и сходятся, создавая участки спокойной воды и зоны сильного течения.
Авторы предполагают, что это состояние защищено скрытой симметрией, которая сохраняется даже в полном беспорядке. В математике её описывают топологическим членом Весса-Зумино-Виттена, но суть проще: в сети из sp²-связей углерода случайно выживает подобие хиральности. Это как если бы в толпе каждый человек мог поворачиваться только в одну сторону. Такого условия достаточно, чтобы в центре спектра электроны не застревали.
Работа впервые показывает: даже в полностью неупорядоченной двумерной системе может существовать критическая точка, где электроны почти свободны. Раньше подобное видели только в кристаллах с примесями, где порядок всё же есть. Здесь же порядка нет вовсе — и всё равно выживает островок проводимости.
Монослойный аморфный углерод — это тот же углерод, что и в графите или графене, но его атомы уложены без всякого рисунка, как рассыпанные монетки. При этом он остаётся прочным и гибким, а его электронные свойства можно настраивать степенью беспорядка.