запрещённая зона

Слоёный пирог из дисульфида молибдена MoS2 лежит на лабораторном столе. Его готовят привычным способом: клейкая лента отрывает верхние слои, чтобы получить тонкий образец. Но под лентой остаётся невидимая полость, где атомные этажи больше не прижаты друг к другу. Именно там электроны начинают вести себя иначе, чем в толще кристалла.

Картограф получает лист с расстояниями между сотнями безымянных островов. Ни один остров не подписан, но расстояния повторяются, складываются в треугольники и четырёхугольники. По этим повторам картограф восстанавливает карту архипелага — не зная, какой остров как называется. Примерно так устроена новая работа по молекулярной спектроскопии.

Выключатель щёлкает — свет загорается. Но представьте выключатель, который при одном и том же нажатии может и включить лампу, и оставить комнату тёмной. Он ещё и помнит, что делал в прошлый раз, а иногда словно подбрасывает монетку, решая, зажечь ли свет. Такое поведение обнаружили в кристалле чёрного фосфора — полупроводнике толщиной в несколько атомных слоёв.

Тонкая серебряная струна длиной почти с толщину человеческого волоса — и в ней проявляются чистые квантовые законы. Физики создали проводник, в котором электроны могут двигаться только вперёд или назад, словно по идеально прямой одноколейной дороге без обочин.

Ударьте по столу — и звук быстро угаснет. Упругие волны в твёрдых телах обычно ведут себя как круги на воде: расходятся от источника и затухают. Но есть способ заставить их замереть на месте — создать «плоскую зону» в частотном спектре. Это диапазон, где волны теряют скорость и скапливаются, словно автомобили в пробке.

Квантовый мир часто сравнивают с музыкальным инструментом. Каждая система — будь то атом или цепочка частиц — звучит на своих частотах, которые физики называют уровнями энергии. В хаотических системах, как в оркестре без дирижёра, эти частоты обычно заполняют весь доступный диапазон без пробелов. Но авторы новой работы нашли удивительное исключение.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый ион — музыкант, а лазерные импульсы — дирижёрские палочки. Но стоит кому-то в зале зашуршать, и тонкая мелодия квантовых состояний сбивается. В ионных ловушках роль такого шороха играет электрический шум от поверхности электродов.

Камень падает в пруд — и по воде разбегаются круги. Длинные волны и короткие движутся с одной скоростью: так ведёт себя обычный звук почти в любой среде. Но в квантовых жидкостях всё может быть иначе. Физики рассмотрели сверхтекучую жидкость, где частицы движутся по «плоской» энергетической полосе.

Звук распространяется сквозь среду с определённой скоростью. Когда среда движется быстрее звука, волны увлекаются потоком — подобно щепке, затянутой в водоворот. В сверхтекучем гелии — жидкости, лишённой вязкости и трения — быстрое вращение порождает квантованные вихри, напоминающие микроскопические воронки.

Короткий лазерный импульс бьёт по молекуле йода, и её атомы начинают колебаться, будто шарик на пружине. Учёные следят за этими колебаниями с помощью второго, широкополосного импульса, который снимает спектр в разные моменты времени. Оказалось, что колебания в возбуждённом состоянии B быстро смещаются по частоте и затухают, а затем появляются колебания в состоянии A.

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.

Сверхпроводимость — это когда электрический ток течет без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Обычно она возникает при очень низких температурах, но есть материалы, где она появляется при более высоких.

Две квантовые точки — это как два крошечных кармана в куске кремния, где электрон может сидеть, как шарик в лунке. Когда карманы далеко друг от друга, каждый электрон живёт сам по себе, и его энергия похожа на уровни одинокого атома. Но если карманы сблизить, электрон начинает чувствовать соседа, и уровни расщепляются — получается подобие молекулы с общими, разделёнными состояниями.

Цепочка из атомов красного фосфора напоминает поезд, где вагоны — атомы, а сцепки между ними — химические связи. Иногда сцепки бывают сильнее, иногда слабее, и от этого зависит, как по поезду бегают электроны.

Тончайший лист углерода толщиной в один атом помещают в сильное магнитное поле и охлаждают до тысячных долей градуса выше абсолютного нуля. Микроволновый микроскоп скользит вдоль кромки листа и измеряет, насколько хорошо этот край проводит электричество. При нейтральном заряде, когда электронов и дырок поровну, край ведёт себя не так, как середина листа.

Слоистые кристаллы купратов напоминают стопку блинов: каждый блин — плоскость из атомов меди и кислорода, а между ними — прослойки других элементов. Обычно сверхпроводимость изучают на всей стопке, где слои влияют друг на друга.

Звук в тонкой пластине ведёт себя как рябь на воде: бежит, отражается от краёв, меняет форму. Но у звука есть одна странность — он умеет проходить сквозь места, где волне запрещено существовать. Это похоже на то, как если бы рябь на пруду вдруг исчезла перед каменной перегородкой и появилась с другой стороны, не огибая её. Учёные взяли пластину переменной толщины — плавно сужающуюся, как клин.

Электронный заряд — перекати-поле, которое меняет свой лагерь в зависимости от энергии. В кристалле вольфрам-селенида (WSe₂) это видно с предельной ясностью: при напряжении −1.4 В, близком к K-точке зоны Бриллюэна, максимумы туннельного тока оказываются в центрах шестиугольников, где атомов нет. При −1.9 В, ближе к Γ-точке, заряд перебирается на атомы вольфрама. Сдвиг — всего 0.

Высоко над Антарктидой воздушный шар поднял прибор, который ловил электроны из космоса. Эти частицы прилетают от далёких взрывов звёзд и других мощных событий. Прибор измерял их энергию — как силу удара. И вот в одном диапазоне энергий ударов оказалось больше, чем предсказывали расчёты. Первый анализ данных показал широкий горб на графике: будто в потоке частиц появилась лишняя струя.