Пчелиные соты, сложенные не из воска, а из атомов, — это графен, плоский кристалл толщиной в один слой. Электроны в нём напоминают бегунов на перекрёстке: где-то ускоряются, где-то замедляются, но никогда не застревают на краю. Физики называют такой лист «топологически тривиальным» — иначе говоря, края у него самые обычные, без особых свойств.
Теперь выломаем из сот один-единственный атом. Вокруг дырки электроны начинают кружить, как вода вокруг воронки. Их движение приобретает топологический заряд — нечто вроде невидимого вихря, который заставляет ток течь строго по краю дырки и не рассеиваться на дефектах. В обычном листе такого вихря нет, потому что электронные волны от двух «долин» (точек в структуре кристалла, где энергия электрона ведёт себя особым образом) гасят друг друга, как две одинаковые волны в тазу. Дырка ломает это равновесие — одна волна остаётся, и появляется краевой ток.
Поймать такой переход можно, наблюдая за волновыми дислокациями — разрывами в картине электронных стоячих волн вокруг дырки. В сканирующем туннельном микроскопе они видны как линии, на которых волна словно «переламывается». Когда заряд есть, дислокации выдают его своим рисунком; когда заряд исчезает, рисунок пропадает. Это похоже на рябь на луже, которая выдаёт место падения камня.
Дырка в сотах — не просто дефект. Это крошечный включатель, способный превратить обычный плоский кристалл в материал с защищённым краевым током. Такой трюк уже можно проверить на графене с вакансией или в оптических решётках, где атомы охлаждают почти до абсолютного нуля и расставляют лазерами.
В графене электроны движутся так, будто у них нет массы — как лучи света, только в сто раз медленнее.