Три голоса, сливающиеся в один аккорд. В физике квантовых материалов этот образ обретает буквальный смысл: три слоя графена, разделённые тонкими прокладками, заставляют электроны и дырки из разных слоёв двигаться как единая жидкость. Экситонный конденсат — состояние, в котором пары электрон-дырка текут без сопротивления, — раньше наблюдали только в двухслойных системах. Теперь китайские физики показали, что когерентность может объединять сразу три независимых электронных слоя.
Сэндвич из трёх монослоёв графена собрали с прокладками из гексагонального нитрида бора толщиной 1.3 и 2 нанометра. Сверху положили монослой дисульфида вольфрама (WSe2), чьи ридберговские экситоны — водородоподобные возбуждённые состояния с большим радиусом — работают как сверхчувствительный оптический зонд. Эти экситоны чувствуют заряд в соседних слоях через кулоновское взаимодействие, причём их отклик затухает с расстоянием, позволяя различать вклады разных слоёв. При температуре 1.8 К и магнитном поле 9 Тл измеряли контраст отражения, сканируя заполнение и поле смещения.
При настройке смещения и поля замещения три парных канала сходятся в общую точку, где уровни всех слоёв почти вырождены. Там несжимаемость сохраняется, а энергия и спектральный вес 2s-экситона принимают промежуточные значения между парными пределами. Это указывает на единое трёхкомпонентное состояние, а не на смесь независимых пар. Раньше было неясно, можно ли реализовать когерентное состояние, объединяющее три независимых электронных слоя, и как его детектировать. Теперь впервые получены оптические свидетельства такого конденсата.
Три слоя графена образуют единую квантовую жидкость с двумя фазами, подобно тому как три голоса в аккорде сохраняют индивидуальность, но звучат слитно. Архитектуру можно расширить на большее число слоёв, создавая программируемое синтетическое измерение с настраиваемыми энергиями и связями. Это позволит моделировать сильно коррелированные решёточные модели и искать экзотические фазы, такие как энионная сверхтекучесть или дробные состояния с иррациональным зарядом. Оптический зонд на основе экситонов может быть адаптирован для визуализации фазовых диаграмм в реальном времени.
Ридберговские экситоны в WSe2 настолько чувствительны, что различают слои графена, разделённые всего 1.3 нанометра — это в десятки тысяч раз тоньше человеческого волоса. При магнитном поле 9 Тл магнитная длина (характерный размер орбиты электрона) составляет около 8.5 нм, что сопоставимо с расстоянием между слоями.
Идея когерентного состояния из трёх компонентов перекликается с «трикордией» в сериале «Звёздный путь» — существом с тремя независимыми личностями, действующими как единое целое. В физике три слоя графена образуют единую квантовую жидкость с двумя фазами, подобно тому как трикордия объединяет три разума.