полуметалл

Тонкий слой арсенида индия спрятан под сверхпроводящей плёнкой, как голос под шумом толпы. Ток в таком гибриде выбирает путь наименьшего сопротивления и почти весь течёт по металлу, поэтому полупроводник остаётся неслышным для обычных приборов.

Ток в обычном металле течёт как толпа людей по прямой улице: каждый электрон — сам по себе, и если включить магнитное поле, вся толпа слегка сдвигается вбок. Этот сдвиг называют эффектом Холла. Но в «странных металлах» — материалах, где электроны ведут себя не как отдельные частицы, а как единое целое — картина ломается.

Магнитный каркас кристалла EuMnSb2 напоминает строительные леса: марганцевые атомы образуют жёсткие вертикальные стойки, а европиевые — подвижные перекладины. До сих пор не было единого мнения, под каким углом наклонены эти перекладины в покое и как они поворачиваются, когда на леса давит магнитное поле. Обычные методы не давали точного ответа: атомы европия жадно поглощают нейтроны, и сигнал тонет в шуме.

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.

Лист бумаги с магнитными свойствами — примерно так устроен новый материал 1T-CrS₂. Его слои скреплены слабыми силами, как страницы блокнота, но каждый слой — настоящий магнит. Причём магнит жёсткий: он сохраняет намагниченность поперёк слоёв и не теряет её даже при нагреве выше комнатной температуры. Вырастить такие кристаллы долго не удавалось.

В кристалле электроны распределены не как попало. Их волны подчиняются симметрии решётки — как рябь на воде приобретает форму брошенного в неё обруча. Новая работа показывает: в точках высокой симметрии эта рябь обязана иметь узлы — места, где электронная плотность строго равна нулю.

Электроны в твёрдом теле обычно либо свободно бегают (металл), либо заперты на месте (изолятор). Но иногда сильное взаимное отталкивание запирает их в половинчатом состоянии: заряды стоят, а спины — маленькие магнитные стрелки — продолжают жить своей жизнью. Это называют моттовским изолятором.

Два листа селенида вольфрама — не углеродные, а из соединения вольфрама с селеном — поворачивают друг относительно друга на крошечный угол, около 5 градусов. Возникает муаровая картина: увеличенная периодическая решётка, где электроны ведут себя совсем иначе, чем в обычном кристалле. Недавно в таких скрученных слоях нашли сверхпроводимость.

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.

Два тонких, как бумага, листа полупроводника накладывают друг на друга и слегка поворачивают — градуса на три-четыре. Атомные решётки не совпадают, и возникает крупный узор — муар, похожий на рябь от двух стиральных досок, сдвинутых на малый угол. В этом узоре электроны движутся совсем не так, как в обычном кристалле.

В знакомых нам металлах вроде меди электроны движутся почти независимо — как автомобили на свободной трассе. Сопротивление возникает из-за редких столкновений, и его можно описать простыми формулами.

Кристалл — как город: если улицы кривые, движение застревает. В кристалле роль улиц играют атомные ряды, а движение — это поток электронов. Малейшая неровность, примесь или смещение атома заставляет электроны рассеиваться. Учёные из нескольких лабораторий научились выращивать кристаллы так, что «улицы» стали почти идеально прямыми. Метод называется горизонтальный перенос вещества.

Пчелиные соты построены из одинаковых ячеек, но стоит чуть изменить форму одной — и вся конструкция приобретает новые свойства. Примерно так же поступили исследователи, создавая магнит без единого атома металла. Они взяли плоские углеродные молекулы в форме треугольников — триангулены — и выложили их в гексагональную решётку, как пчёлы строят соты.

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.

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.

Когда вы нажимаете выключатель, свет загорается не сразу — электронам в проводах нужно время, чтобы «раскачаться» и дружно двинуться в путь. В обычных металлах и полупроводниках ток набирает силу постепенно, как вода в шланге, когда кран только открыли.

Танцпол заполнен людьми, которые движутся каждый сам по себе. Вдруг часть из них разбивается на пары — кружатся, почти не замечая соседей, а остальные выстраиваются в цепочки. Примерно так ведут себя атомы в металле CsCr₃Sb₅ — одном из представителей кагоме-металлов, чья кристаллическая решётка напоминает плетёную корзину.

Тонкая проволока из нового материала проводит электричество без потерь, если её остудить до трёх градусов выше абсолютного нуля. Это как вода, которая течёт по трубе, не встречая трения о стенки. Материал называется PtPb3Bi, и его особенность — внутреннее устройство, похожее на пучок нитей: электроны свободно бегут вдоль нити, но с трудом перескакивают между нитями.

Плетёная корзина из ивовых прутьев держит форму за счёт переплетения. Похожий узор — треугольники, сцепленные в плоскую сетку — обнаружили в новом кристалле с формулой Cs₃V₉Te₁₃. Здесь атомы ванадия образуют два набора треугольников, которые пронизывают друг друга, как нити в ткани. Этот узор не просто красив: он заставляет электроны двигаться по особым «плоским» энергетическим дорожкам.

Лист графена толщиной в один атом — как гибкая металлическая сетка, по которой электроны носятся почти без препятствий. Сложите два таких листа с небольшим сдвигом, и свойства материала резко меняются: он может стать изолятором, не пропускающим ток.

Лист графена толщиной в один атом скручивают под небольшим углом, и он начинает вести себя как слоёный пирог, где слои слегка повёрнуты друг относительно друга. При определённом угле поворота этот материал становится сверхпроводником: электроны начинают двигаться парами, как танцоры в вальсе, не теряя энергии. Но что именно происходит внутри, до сих пор оставалось загадкой.

В узоре плетёной корзинки, где прутья переплетаются треугольниками, часть электронов застревает на месте, как монетки в щелях плетения. Другие электроны свободно бегают по всей корзинке, как свет по комнате. Физики долго искали момент, когда эти два типа электронов начинают влиять друг на друга — и вот он найден в материале CsCr6Sb6.

Кусочек теллурида серебра-сурьмы похож на губку: он легко впитывает тепло и превращает его в электричество. Такие материалы называют термоэлектриками, и они уже работают в космических зондах и автомобильных холодильниках. Но если сжать эту губку, она начинает вести себя как сверхпроводник — ток течёт без малейшего сопротивления.

Металл — это море электронов, которые движутся почти свободно, сталкиваясь лишь изредка. Но в некоторых материалах это море вдруг становится вязким и непредсказуемым: электроны перестают вести себя как независимые частицы. Физики называют такое состояние «не ферми-жидкостным», и оно до сих пор остаётся загадкой.

Квантовый компьютер — как оркестр, где каждый музыкант должен играть свою ноту без фальши. Но у сверхпроводящих кубитов есть общая беда: на их электродах копятся случайные заряды, и «нота» уплывает. Инженеры называют это дрейфом зарядового смещения — и обычно борются с ним годами.

Кристалл оксида осмия OsO₂ напоминает упрямого подростка: при обычных условиях он ведёт себя как обычный металл, но стоит надавить посильнее — и характер меняется.

Квантовый компьютер — как оркестр, где каждый музыкант должен вступать точно в такт. Малейший шорох в зале сбивает скрипача, и мелодия рассыпается. В кремниевых чипах роль таких шорохов играет электрический шум: случайные колебания заряда внутри материала. Они заставляют квантовые биты ошибаться. Инженеры решили выяснить, как устройство самого чипа связано с этим шумом.

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.

Квантовый бит — как юла, которая должна крутиться долго, не шатаясь. В германии такие юлы научились запускать, но вокруг всегда дрожит пол: электрические помехи сбивают вращение. Чтобы пол был ровнее, сверху обычно кладут толстый слой кремний-германия — он как ковёр, приглушающий шаги.

Электрон в металле обычно похож на человека в час пик: он постоянно натыкается на других и теряет направление. Но если убрать препятствия, он может лететь по прямой, как машина по пустому ночному шоссе. Такое движение называют баллистическим — от слова «баллиста», древней метательной машины, которая посылала камень без помех.

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.

Обычная резиновая прокладка глушит вибрацию, как толстое одеяло приглушает звук: чем толще и тяжелее, тем лучше. Инженеры давно мечтают о материале, который был бы лёгким, но при этом «съедал» колебания не хуже массивного демпфера. В новой работе такой материал удалось собрать из двух непохожих частей: мягкой эластичной решётки, напечатанной на 3D-принтере, и крошечных капель жидкого металла, спрятанных внутри неё.

Скоростное шоссе, по которому машины мчатся, почти не замедляясь, — так выглядит слой сверхчистого полупроводника, где электроны пролетают огромные расстояния без единого столкновения. Учёные построили транзистор, в котором электроны бегут вдвое быстрее, чем в любом подобном приборе до сих пор.

Классическая теория сверхпроводимости БКШ, разработанная Джоном Бардином, Леоном Купером и Робертом Шриффером, описывает механизм, при котором электроны объединяются в куперовские пары и движутся без сопротивления.

В материале NaAlSi при охлаждении электроны формируют мимолётную рябь — полосы, которые возникают и исчезают, словно узор на воде от порыва ветра. Эта рябь переплетается со сверхпроводимостью — квантовым состоянием, в котором электрический ток течёт без сопротивления.

Алмаз — не просто украшение. Этот кристалл может проводить электричество, когда в нём появляются свободные носители заряда: электроны и дырки. Но как быстро они движутся? В научных статьях числа разнятся в десятки раз. Одна лаборатория сообщает скорость 1000 см²/(В·с), другая — 4000.

В металле полно свободных электронов — они носятся между атомами, как рой пчёл вокруг улья. Если проткнуть такой металл тонкой магнитной нитью, электроны начинают чувствовать её поле. Новый расчёт показал: они не просто огибают поле, а запирают его внутри, как пробка запирает воду в бутылке. Причём запирают строго порциями — либо совсем ничего, либо ровно половину стандартной порции магнитного поля.

Графен — это лист углерода толщиной в один атом. Если нарезать его на узкие полоски, получатся графеновые наноленты. Их свойства зависят от того, как именно полоска скроена: словно из одного куска ткани можно сшить и гладкую скатерть, и складчатую юбку. В новой работе химики собрали ленту несимметричной формы.

Два куска графита трутся друг о друга, а сопротивление исчезает, будто их разделила невидимая плёнка масла. Раньше такое видели только под микроскопом, на крошечных пятнышках контакта. Теперь учёные зажали между двумя слоями графита площадку в доли миллиметра и надавили с силой до половины ньютона — как если бы на неё положили небольшое яблоко.