графен

Представьте себе крошечную дыру в листе графена — один отсутствующий атом углерода. Раньше считалось, что молекула воды разрывается на этом дефекте только в одиночку, в сухом газе. Но если вокруг плещется жидкая вода, всё меняется.

На столе лежит кусок графита, выращенный из газа, как налёт на стенке реактора. Обычно такой материал не годится для превращения тепла в электричество: внутри него электроны и дырки бегут в разные стороны и гасят друг друга. Но если этот кусок поместить в магнитное поле и нагреть с одного края, заряды начинают двигаться в одну сторону, как толпа, которую регулировщик направляет в один выход.

Скрипку Страдивари можно сделать только из дерева, которое росло в особых условиях. Долгое время считалось, что и графен для тонких квантовых эффектов должен быть отшелушен скотчем от графита, а выращенный в пробирке кристалл на такое не способен. Эта работа показывает: выращенный из газовой смеси графен зазвучал как скрипка Страдивари.

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.

Лист бумаги, оставленный на мокром столе, коробится и приподнимает края. Никто не управляет этим движением, но оно происходит по тем же законам, что и рост растения: одни области листа сжимаются сильнее других, и плоская форма превращается в объёмную. Инженеры давно мечтали приручить этот процесс, чтобы плоская заготовка сама складывалась в нужную скульптуру.

Сверхпроводник — материал, который проводит электрический ток без потерь, подобно воде, текущей по идеально гладкой трубе. В медных сверхпроводниках, известных как купраты, крошечные добавки кислорода действуют как регулятор громкости: чуть больше — и материал переходит в сверхпроводящее состояние, чуть меньше — теряет это свойство.

В архивах химии хранились записи о веществах, которые долгое время не считались примечательными. Однако среди них скрывались двумерные материалы — кристаллические слои толщиной всего в один атом, обладающие высокой прочностью и необычными электронными свойствами.

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.

Водопроводная труба: чем она шире, тем больше воды проходит. В сверхпроводящих контактах — джозефсоновских переходах (мостиках, по которым ток течёт без сопротивления) — обычно так же: чем лучше материал проводит в обычном состоянии, тем больший сверхпроводящий ток через него течёт.

Тонкая, как мыльная плёнка, пластинка керамики — и в ней течёт ток без малейшего сопротивления. Так выглядит сверхпроводимость, которую удалось получить в никелатах — родственниках знаменитых купратных сверхпроводников. Обычно для этого требовалось гигантское давление, сравнимое с давлением на дне океана.

Обычно свет не превращает изолятор в проводник — для этого требуются мощные лазерные импульсы, разрушающие структуру материала. Но в скрученном под магическим углом двуслойном графене — материале из двух слоёв углеродной решётки, повёрнутых друг относительно друга на особый угол, — всё иначе.

Графен, лист углерода толщиной в один атом, ведёт себя как водная гладь — пока не появляется сверхпроводимость. Тогда по нему, словно круги от брошенного камня, расходятся необычные волны: пары электронов движутся без трения. Но в особом, хиральном состоянии эти волны закручены в одну сторону, как вода в сливе ванны.

В тончайшем листе четырёхслойного графена электроны могут вести себя как застывшая жидкость. При сильном охлаждении и под действием электрического поля они перестают метаться и выстраиваются в правильный узор — вигнеровский кристалл. Это похоже на то, как капли воды на морозе превращаются в ледяные соты.

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.

Представьте квантовый фазовый переход как сложный танец. Электроны кружатся в строгом порядке, и каждое па — это их пространственное распределение, а ритм — динамика. Десятилетиями физики видели лишь смазанное движение, не в силах различить: меняются фигуры или ускоряется музыка.

В мире двумерных материалов порой рождаются состояния столь же необычные, как и хрупкие. Одно из них — дробный аномальный холловский кристалл (FAHC) — словно квантовый кентавр: наполовину упорядоченная решётка, наполовину топологическая жидкость.

Сверхпроводник обычно не дружит с магнитом: сильное поле разрушает состояние, в котором ток течёт без сопротивления. Но в тонких слоях углерода всё иначе.

В капле крови плавают миллионы молекул альбумина — главного белка-транспортировщика. Его уровень падает при болезнях почек и печени, поэтому врачам нужен быстрый и точный способ измерения. Инженеры предложили детектор размером с пылинку: графеновый транзистор, работающий прямо в жидкости. Графен — лист углерода толщиной в один атом.

Графен — двумерный кристалл углерода — долгое время манил физиков надеждой на высокотемпературную сверхпроводимость. Его электроны подчиняются релятивистскому уравнению Поля Дирака, несутся с огромной скоростью, почти не замечая друг друга.

Обугленный комок величиной с кулак — вот что осталось от свитка из библиотеки римского города Геркуланума. Две тысячи лет назад его погребло извержение Везувия, и с тех пор никто не читал скрытый внутри текст. Попытка развернуть такой свиток физически превратила бы его в пепел. Но теперь археологам не нужно рисковать.

Чем тоньше сегнетоэлектрическая плёнка, тем сильнее деполяризующее поле — диктат классической физики. Представьте карандаш, балансирующий на кончике пальца: чем короче, тем труднее удержать вертикально. Так и нанометровая поляризация норовит исчезнуть.

Переключатель, который сам знает, куда течь. Так работает джозефсоновский диод — сверхпроводящий мостик, где ток в одну сторону идёт охотно, а в другую — упирается. В новой работе такой мостик сделали из графена — листа углерода толщиной в один атом. Эффект проявился, когда на устройство подали слабое магнитное поле — всего несколько миллитесла.

Электроны в кристалле напоминают автомобили на городских улицах: одни несутся по проспектам, другие застревают в пробках. В некоторых решётках движение замирает полностью — скорость перестаёт зависеть от энергии, и электроны становятся «плоскими». Это не затор, а особый ритм сети, где волны гасят друг друга.

Гончар острым резцом наносит узор на ещё сырую глиняную плитку. Одно неверное движение — и линия расплывается, а плитка трескается. Примерно так же физики работают с плёнками высокотемпературного сверхпроводника YBCO (соединение иттрия, бария, меди и кислорода). Только резец у них — тончайший пучок ионов гелия, а плитка — слой керамики толщиной в сотни атомов.

В мутной грязи, между двумя электродами, выстраиваются длинные цепочки бактерий — тонкие, как микроскопический кабель. Каждая такая нить проводит ток на целый сантиметр, для микроба это настоящий марафон. Секрет в волокнах, вшитых прямо в оболочку клеток: по ним электричество бежит почти без потерь, как по медной жиле.

Вселенная не просто расширяется — она звучит. После Большого взрыва в её ткани остались натянутые струны — тонкие, как протон, но тяжёлые, словно горный хребет. Их колебания рождают гравитационные волны, и в этом излучении, как в нотной записи, зашифрована история фундаментальных симметрий.

Вязание крючком, где вместо ниток — отдельные молекулы, а вместо крючка — поверхность золота. До сих пор попытки связать из таких молекул ровное полотно заканчивались путаницей: нити цеплялись не там, где нужно, и узор сбивался. Группа учёных нашла способ решить эту проблему.

Каждый электрон — это миниатюрный магнит, обладающий собственным магнитным моментом. В слое хлорида железа толщиной в один атом все эти моменты дружно ориентируются в одном направлении, словно танцоры в идеальном синхронном номере. Обычно природа избегает такого порядка — это и есть высокая энтропия, мера беспорядка в системе, — но квантовые силы заставляют электроны подчиняться.

Мост из двух рядов досок прогибается под ногами пешеходов — и каждый шаг получает помощь от упругого движения настила. Похожий принцип лежит в основе сверхпроводимости: электроны скользят без сопротивления, потому что атомная решётка сама подстраивается под них. В материалах на основе никеля эта картина долго не складывалась.

Два тончайших листа, похожих на слюду, лежат друг на друге. Один сдвигается на долю нанометра — и скромный полупроводник превращается в магнит. Примерно так работают материалы, которые исследовали авторы: слоистые соединения ниобия и тантала с серой или селеном. В обычном состоянии эти плёнки пропускают ток, но не проявляют магнитных свойств.

В сверхпроводнике электроны объединяются в пары, словно танцоры, взявшиеся за руки. Обычно расстояние между ними — размер пары — зависит от того, как быстро они движутся и насколько сильно связаны. Но иногда танцпол почти исчезает, и двигаться некуда. Такое случается в материалах с плоскими энергетическими зонами: здесь электроны почти замирают, и привычные правила перестают работать.

Сталь — не монолит, а мозаика из микроскопических зёрен, спаянных друг с другом. Их стыки — границы зёрен — самое уязвимое место: именно здесь начинаются трещины. Атомы примесей, даже в ничтожных количествах, скапливаются на этих стыках, как песок между шестерёнками, и могут либо смазать механизм, либо заклинить его намертво.

Каждый атом углерода в молекуле носит при себе паспорт — энергию, с которой его самые глубокие электроны сидят на своих орбитах. Эта энергия чутко отзывается на соседей: появился рядом кислород или двойная связь — и цифра в паспорте меняется. Химики давно измеряют такие энергии с помощью рентгена, но расчёт для каждой новой молекулы отнимает часы машинного времени.

Лист графена — это сетка из атомов углерода толщиной в один атом. Если сложить несколько таких листов с особым сдвигом, получится материал с необычными свойствами: он может быть магнитом или сверхпроводником в зависимости от того, как на него подействовать.

Карбид кремния — материал, из которого делают броню для электроники. Он выдерживает жару, удары и радиацию, как керамическая плитка на днище космического корабля. Но даже у такой брони есть слабое место: обычные металлические контакты быстро портятся под рентгеном. В новой работе контакт заменили слоем графена — углеродной плёнки толщиной в один атом.

Кристалл, похожий на стопку блинов, положили на гладкую подложку из оксида магния. Получилась плёнка толщиной в сотни атомов. Когда через неё пустили ток и включили магнит, сопротивление выросло почти на четверть — на 22,5% при поле 9 тесла. Внутри плёнки электричество переносят два потока частиц. Одни — быстрые и лёгкие, как мотоциклисты на свободной трассе.

Обычный кристалл — как многоквартирный дом: электроны в нём движутся по общим коридорам и лестницам, влияя друг на друга через стены. А теперь уберём все стены, оставив одну-единственную линию квартир. Как поведут себя жильцы? Водород тут ни при чём, зато коллективное поведение электронов выходит на первый план.

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.

Лист бумаги почти ничего не весит, но если сложить сто листов в стопку, получится уже ощутимая пачка. Примерно так же поступили с материалом, который отлично умеет превращать один цвет света в другой, но только пока он толщиной в один атом. Один слой — как один лист: работает красиво, но слишком тонко, чтобы дать много света.

Мозаичный пол из множества мелких плиток, повёрнутых в разные стороны. Казалось бы, любой узор, который пытается пройти сквозь такой пол, должен сбиться и исчезнуть. Именно так обычно думают о беспорядке в кристаллах: если атомы не выстроены в идеальную решётку, тонкие квантовые эффекты должны разрушиться.