краевое состояние

Молекула триптицена напоминает трёхлучевую звезду с жёсткими лучами. Когда такие звёзды рассыпают по поверхности свинца, они сами складываются в узор, похожий на плетёную корзину: треугольники и шестиугольники чередуются, а в каждом узле сидит не одна звезда, а пара.

Тончайшая плёнка из атомов теллура, тантала и иридия — монослой 1T-TaIrTe₄ — ведёт себя как изолятор внутри, но проводит ток по краям. Это свойство, известное как квантовый спиновый эффект Холла, обещает электронику без потерь: электроны на краях движутся без рассеяния, как по идеальной магистрали.

Графен — двумерный кристалл углерода толщиной в один атом — способен менять свои магнитные свойства подобно тому, как вода меняет агрегатное состояние: то течёт жидкостью, то застывает льдом.

Представьте шоссе, где встречные потоки разнесены не просто по разным сторонам, а по двум независимым дорогам — каждая со своим въездом и выездом. Нечто подобное происходит с электронами в новом типе топологического изолятора, который описали авторы работы.

Представьте дом с пробковыми стенами, который с наступлением морозов вдруг покрывается медными листами. Примерно так ведёт себя соединение FeSb₂, когда из него формируют плёнку толщиной всего в несколько атомных слоёв. В обычных условиях это узкозонный изолятор: электроны в нём локализованы, словно зрители в переполненном зале, не способные свободно перемещаться.

При низких температурах многие материалы становятся сверхпроводниками — электрический ток течёт без сопротивления. Но как возникает это состояние, если электроны сначала были заперты в изоляторе? Полвека назад Филип Андерсон предположил, что ответ кроется в особом квантовом танце частиц.

Разрезали спиновую цепочку — а на краях возникли частицы без энергетической щели. Их называют нулевыми модами, и живут они только на границе. Раньше их считали через сложные топологические инварианты, но теперь появился способ проще. Авторы работы предложили использовать высшую кривизну Берри — математический объект, который чувствует геометрию квантового состояния.

Согнуть лист бумаги легко. А вот сжать его, толкая с краю, — совсем другое дело: бумага изомнётся, но почти не передаст усилие дальше. Так работает обычная упругость — деформация зависит от того, куда и как надавить. Новая трёхмерная решётка доводит этот контраст до предела.

Книга открыта на середине. По корешку бежит ток, а страницы остаются холодными. Примерно так устроен двумерный топологический изолятор — материал, где электричество течёт только по краям, а внутренность неподвижна.

У каждой активной частицы в новой модели есть внутренний ритм: она вращается либо влево, либо вправо. Хиральность — ключевое свойство: одни кружатся по часовой стрелке, другие — против. Но стоит такой частице столкнуться с препятствием или соседкой, как она переключает своё вращение, словно фигурист, который после касания борта взрывается обратным пируэтом.

Лист резины сжимают с двух сторон. На первый взгляд — обычная деформация. Но внутри, в глубине материала, пробуждается скрытый порядок. Это не просто складки на поверхности. Это рождение особых зон, где вибрации оказываются запертыми, словно в ловушке. Раньше считалось, что такие эффекты требуют хитроумных решёток и периодических структур.

В длинном коридоре толпа людей старается держаться подальше друг от друга. В просторном зале они бы просто разошлись, но здесь стены сжимают так, что приходится двигаться гуськом, согласовывая каждый шаг. Похожим образом ведут себя электроны в слоях графена, повёрнутых один относительно другого на крошечный угол.

Ударьте по камертону — он зазвенит и постепенно затихнет. Примерно так же ведут себя края особых квантовых цепочек, если их резко «встряхнуть»: колебания затухают, и память о начальном состоянии исчезает. Но физики обнаружили, что в некоторых случаях этот звон длится удивительно долго. Авторы работы взяли цепочку из чередующихся сильных и слабых связей — такую модель называют SSH-цепочкой .

В Атлантике работает гигантский невидимый конвейер — тёплые поверхностные воды текут на север, остывают, ныряют в глубину и возвращаются на юг. Этот круговорот, AMOC, тащит за собой тепло, делая Европу заметно мягче, чем Канада на тех же широтах. Но конвейер не вечен: если его разбавить пресной водой от тающих льдов Гренландии, мотор заглохнет.

Два игральных кубика лежат в разных комнатах. Если между ними есть «запутанность», бросок одного мгновенно определяет результат другого — даже на расстоянии. В квантовом мире такая связь называется управляемостью: одна сторона, проводя измерения у себя, как будто диктует состояние партнёру. Но что происходит, когда кубики слегка «разболтаны» — их состояние не идеально чистое, а смешано с долей хаоса?

Два тонких слоя полупроводника повернули друг относительно друга на 2,29 градуса — как два листа прозрачной бумаги с нарисованными сетками. Там, где линии почти совпадают, возникает крупный узор из тёмных и светлых пятен. Электроны в этом узоре ведут себя совсем не так, как в обычном кристалле.

С незапамятных времён физики грезят о тоннелях, пронзающих космос, — кротовых норах, способных соединить далёкие уголки Вселенной за мгновения.

Очередь из людей, которые держатся за руки, но смотрят в разные стороны: одни — на север, другие — на юг. Так устроен p-волновой магнит. Электроны в нём выстраивают свои магнитные моменты (спины) не хаотично, а по строгому волнообразному узору.

Свет, чью электромагнитную природу впервые описал Максвелл, в разных средах ведёт себя по-разному. В новом исследовании учёные смоделировали двумерный кристалл, который одновременно поглощает свет и обладает магнитными свойствами.

Ткань, которая тянется только вдоль, но не поперёк. Примерно так устроен полудираковский материал: в нём электроны могут свободно двигаться в одном направлении, а в другом — почти не сдвигаются с места. Из-за этой необычной анизотропии на краях двумерного кристалла возникают особые дорожки — одномерные каналы. По ним электроны бегут только вдоль периметра, словно вода по жёлобу.

Обычные магнитные измерения видят только поверхность сверхпроводника, где мешают барьеры и вязкие потоки магнитного поля. Внутри же, в так называемом промежуточном состоянии, сосуществуют сверхпроводящие и нормальные домены, разделённые тонкими стенками. Эти стенки могут колебаться, но услышать их напрямую было трудно.

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.

Переполненный автобус, где каждый пассажир — электрон. В сверхпроводнике пассажиры объединяются в пары и движутся слаженно, без потерь энергии. Но в высокотемпературных сверхпроводниках, таких как купраты, эта идиллия работает только при добавлении лишних пассажиров. Если же кого-то высадить, пары начинают вести себя странно.

Камертон, по которому ударили, затихает: его колебания утекают в воздух. Но бывают системы, где колебание не затухает, хотя рядом полно свободных волн, готовых унести энергию. Такие «пойманные» состояния физики называют связанными состояниями в континууме (BIC). Их предсказали ещё в 1929 году, а впервые увидели только в 2011-м.

Сверхпроводник похож на город, где электрический ток течёт без светофоров и пробок. Но у кристалла UTe2 есть особенность: его поверхность живёт по другим правилам, чем внутренность. На атомах теллура, которые сидят на поверхности, электроны нашли себе «лазейку» — состояния с такими энергиями, которые внутри кристалла запрещены.

Луч лазера, закрученный в спираль, похож на воронку в раковине: свет движется не только вперёд, но и по кругу. Такие вихревые лучи уже помогают двигать крошечные частицы и передавать больше данных. Но стоит им пройти через неоднородную среду — и вихрь распадается, как вода из дырявого ведра. Фотоника — наука о свете в микрочипах — нашла способ удержать вихрь.

В цепочке оптических ловушек, подобно линии прибрежных фортов, удерживаются атомы. Рядом с ними — квантовое море: конденсат Бозе-Эйнштейна — состояние вещества с нулевым сопротивлением, где частицы движутся как единая волна.

Кристалл урана размером с рисовое зерно охладили до пятидесятой доли градуса выше абсолютного нуля. При такой температуре тепло переносится не хаотично, а строго по правилам квантового мира. Учёные направляли тепло через образец и следили, как оно расходится по разным осям кристалла — это как проверять, куда быстрее растекается вода по складкам бумаги.

Некоторые материалы при экстремальных условиях — сильное магнитное поле и температуры, близкие к абсолютному нулю, — ведут себя парадоксально: их внутренний объём становится изолятором, переставая проводить электрический ток, но вдоль границы образца возникает односторонний поток электронов.

Двумерный висмут на кремниевой подложке — перспективный материал для электроники будущего. Его края проводят ток без потерь, как скоростная магистраль без светофоров. Но сам висмут нежный: воздух и влага быстро портят его свойства. Химики нашли выход: они поместили висмут под слой графена — прочной углеродной плёнки толщиной в один атом.

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.

Стопка одинаковых блинов на тарелке — просто стопка. Но если уложить их с определённым порядком, вдруг появляется нечто новое: например, узор, который не был виден в каждом блине по отдельности. Похожий трюк проделали физики с тонкими слоями материалов. Топологические состояния обычно связывают с особыми материалами, где электроны или волны ведут себя необычно на поверхности.

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.

Кристалл CeRh₂As₂ ведёт себя как переключатель: охладите его — и он станет сверхпроводником, а потом поднесите магнит — и он скачком перейдёт в другое сверхпроводящее состояние. Такое поведение редкость: большинство сверхпроводников имеют лишь одно состояние, а тут их два, разделённые резкой границей.

Хлопающая крышка от банки с вареньем — вот герой этой истории. Нажмёшь на неё, и она с громким щелчком перескакивает из выпуклого положения в вогнутое. Точно так же ведёт себя балка с шарниром внутри каждой ячейки новой механической решётки. Учёные собрали из таких хлопающих балок шестиугольную сетку — как соты, только из упругих пластинок. Когда одну балку резко сжимают, она перещёлкивается и толкает соседнюю.

Свет от множества крошечных излучателей — атомов или искусственных «квантовых точек» — обычно расходится в разные стороны, как толпа, где каждый кричит сам по себе. Но если заставить их «петь хором», вспышка становится ярче во много раз.

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.

Квантовый чип похож на музыкальный инструмент, который расстраивается от каждого прикосновения. В устройствах из напряжённого германия (материал, где атомы слегка растянуты для лучшей проводимости) главный источник фальши — дефекты на границе между полупроводником и слоем изолятора. Эти дефекты действуют как микроскопические липучки: они цепляют заряды и не дают им двигаться ровно.

Обычный изолятор не проводит ток ни внутри, ни по краям. Топологический изолятор — другое дело: внутри он остаётся изолятором, а по краям пускает электрический ток без потерь. Это свойство защищено топологией — математической характеристикой, которая не меняется при плавных деформациях.

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.