тонкоплёночные топологические изоляторы

На столе лежит слоёный пирог из чешуек гексагонального нитрида бора — материала, похожего на графит, но из атомов бора и азота. Одну чешуйку аккуратно переносят на другую, и в месте их перекрытия после прокаливания в кислороде рождаются яркие одиночные источники света. Их плотность вырастает до пятнадцати раз по сравнению с обычными участками, а качество остаётся прежним.

Микросхема размером с ноготь выделяет столько же тепла, сколько маленькая лампочка. Отвести это тепло — всё равно что вычерпать чайной ложкой горячий чай из стакана: материал-изолятор вокруг транзисторов обычно плохо проводит тепло.

Стопка игральных карт лежит неподвижно. Можно поддеть верхнюю карту пальцем и сдвинуть её — это грубое вмешательство. А можно дунуть так, что вся стопка на мгновение изменит форму, но карты не разлетятся. Примерно так свет в новом эксперименте перестраивает кристалл селенида олова (SnSe). Обычно, чтобы изменить структуру твёрдого тела, его нагревают или пропускают через него ток.

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.

В тонких слоях кристалла селенида тантала (TaSe₂) обнаружено свойство, бросающее вызов привычной физике. Когда между слоями этого материала внедрили атомы-гости, структура потеряла центр инверсионной симметрии — и внутри возникла сверхпроводимость с необычной защитой.

Клетки кровеносного сосуда высеяли на прозрачную плёнку толщиной 700 нанометров — в сотню раз тоньше человеческого волоса. Под плёнкой спрятаны плоские электроды. Они посылают слабый переменный ток и слушают, как меняется сопротивление.

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.

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.

Представьте многослойную оболочку, где слои металла и изолятора чередуются подобно листам в книге. Такая структура способна сделать скрытый внутри предмет невидимым для наблюдателя. Свет огибает её, как вода плавно обтекает гладкий камень: ни ряби, ни всплеска — ни отражения, ни тени.

Аккуратная стопка атомных слоёв лежит на подложке. Сверху падает невидимый луч терагерцового света, а сбоку приложено магнитное поле. Отразившись, луч чуть-чуть поворачивает свою поляризацию. Этот поворот — не дефект оптики, а прямое свидетельство: на поверхности плёнки скопился электрический заряд.

Два белых листа лежат на солнце — один шершавый, другой гладкий. Какой нагреется меньше? Шершавый рассеивает свет сильнее, и кажется, что он останется прохладнее. Но если покрытие состоит из множества прозрачных стеклянных шариков, логика меняется. Свет блуждает в нём, как в густом тумане, и в какой-то момент перестаёт замечать отдельные капли.

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.

Тонкая, как мыльный пузырь, плёнка из нитрида алюминия висит над зеркальной пластиной, и между ними — воздушная прослойка толщиной в микрометр. Когда на неё попадает невидимый глазу инфракрасный свет с длиной волны около 15 микрометров, плёнка начинает вибрировать в такт со светом — как струна, отзывающаяся только на свою ноту.

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.

Толпа на узкой улице движется медленно, потому что люди натыкаются друг на друга. В кремнии тепло переносится похожими «толчками» — колебаниями атомов, которые называют фононами. Если прорезать в кремниевой плёнке крошечные отверстия, фононы будут натыкаться на них, как пешеходы на столбы, и тепло пойдёт хуже.

Обычный транзистор в телефоне создают в вакуумной камере, где атомы осаждаются слой за слоем. Дорого и долго. Но оксид индия можно напечатать как чернила — из капли жидкого металла, которая на воздухе сама покрывается тонкой оксидной плёнкой. Авторы взяли индий, расплавили его и прокатали по подложке при 250 градусах.

Газовый пузырёк в воде — это не просто безмолвная сфера, а акустический резонатор, поющий благодаря эффекту, известному как резонанс Минарта. Массивная жидкость сдерживает быстрое сжатие пузырька, вынуждая его стенки вибрировать на характерной частоте.

Светящаяся точка в кристалле — как маяк в тумане: чем дольше она горит, тем надёжнее сигнал. В квантовых устройствах роль такого маяка играют ионы редкоземельных металлов, встроенные в прозрачную решётку. Они поглощают энергию и отдают её в виде вспышки света. Но если рядом есть атомы с магнитным моментом, вспышка быстро гаснет. Исследователи взяли оксид церия — вещество, где все ядра атомов «магнитно молчат».

Тонкая плёнка — как натянутая простыня: чем она тоньше, тем труднее её продавить. Учёные заметили, что плёнки из самых разных материалов — графена, оксида графена, полимеров — при высокоскоростном ударе сопротивляются проникновению снаряда на удивление сильно. И чем тоньше плёнка, тем больше энергии она поглощает на единицу своей массы.

Зелёный луч фонарика ныряет в бассейн и достаёт до дна, почти не ослабев. Вода прозрачна именно для зелёного света, поэтому его используют для связи под водой. Но чтобы передать видео или данные с датчика, свет нужно очень быстро включать и выключать — миллиарды раз в секунду. Обычные лазеры для этого слишком медленные и нестабильные.

Микросхемы внутри смартфонов и компьютеров становятся всё плотнее: миллиарды транзисторов упакованы на кусочке кремния размером с ноготь. При работе они выделяют тепло, как крошечные печки. Если тепло не отводить, чип перегревается, начинает сбоить или выходит из строя. Инженеры ищут материалы, которые можно нанести поверх схемы тонким слоем, чтобы отводить тепло, не мешая электрическим сигналам.

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.

В кристалле металла атомы стоят ровными рядами, как кирпичи в стене. Но если выбить один кирпич, остаётся пустота — её называют вакансией. Под облучением таких пустот становится много, они начинают сливаться в большие дыры, и металл теряет прочность. Это как если бы в кирпичной стене дыры объединялись в сквозной пролом.

Тонкая плёнка из арсенида индия, лежащая на изолирующей подложке, ведёт себя как термос с двойными стенками: электроны внутри неё почти не отдают тепло окружающему кристаллу. В обычном металле электроны быстро обмениваются энергией с колебаниями атомов, поэтому их температура всегда близка к температуре образца.

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 компьютер похож на музыкальный инструмент: даже крошечная царапина на струне портит звук. Вместо струн — сверхпроводящие резонаторы, тонкие дорожки из нитрида титана на кремниевой пластине. Они должны хранить квантовую информацию, но любая неровность или лишний атом на поверхности забирает энергию, как трещина в колоколе гасит звон.

Обычный кусок полупроводника слабо меняет цвет проходящего света. Физики десятилетиями обходили это ограничение, помещая кристалл в хитрое окружение, но сам материал оставался прежним. Теперь исследователи собрали «бутерброд» из чередующихся тонких слоёв арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия.

Раскалённая печь в цеху или горячий выхлоп турбины — это не просто жар, а свет, который человеческий глаз не видит. Обычные солнечные батареи ловят видимый свет, а здесь нужен приёмник для невидимого теплового излучения.

Кристалл — как идеально выложенная мозаика из атомов. Но вырастить такую мозаику — задача со звёздочкой: чуть сбился порядок, и появляются «швы» — границы, где ряды атомов не совпадают. Для обычной электроники это мелочь, а для квантового компьютера — катастрофа. Квантовый бит (кубит) хранит информацию в нежном состоянии, которое разрушается от малейшего беспорядка в материале.

Свет обычно летит прямо, как луч фонарика. Но его можно закрутить, как воду в воронке, — тогда в луче появляется вихрь. Такой закрученный свет способен переносить больше данных: разные вихри не мешают друг другу, как разные радиоканалы. Проблема была в том, чтобы сделать источник такого света достаточно маленьким для чипа.

Электроника греется. Чем мощнее процессор, тем больше тепла нужно отвести, иначе он выйдет из строя. Одно из узких мест — граница между двумя материалами: тепло натыкается на неё, как на шов между плитками, и замедляется. Учёные сделали стык между нитридом алюминия и карбидом кремния почти идеально ровным, без единого зазора. Тепло через него проходит почти без потерь.

Терагерцовое излучение лежит между микроволнами и инфракрасным светом. Оно проходит сквозь одежду, бумагу и пластик, но не сквозь металл и воду. Поэтому его используют в сканерах безопасности и медицинской визуализации. Чтобы увидеть поляризацию такого излучения, нужен детектор.

Свет в крошечном кольце — как вода в замкнутом канале: если пустить поток слишком сильный, стенки начнут дрожать и канал изменит форму. В оптических микрокольцах роль воды играет лазерный луч, а роль стенок — кристаллическая дорожка толщиной меньше волоса. Обычно мощный свет «прожигает» материал: меняет его свойства, сдвигает частоту, портит настройку.

Обычный лазер усиливает свет до яркого луча. Если запустить этот процесс в обратную сторону, получится антилазер — устройство, которое всасывает свет без остатка. Но такая машина капризна: достаточно лёгкого беспорядка, чтобы поглощение сорвалось. Физики нашли способ сделать антилазер неуязвимым.

Тёплый пол в комнате всегда чуть-чуть вибрирует — молекулы в нём движутся. Так же дрожат и зеркала в детекторах гравитационных волн: тепло заставляет их поверхность мелко трястись, и это мешает улавливать слабые сигналы из космоса. Чтобы унять дрожь, на зеркало наносят тонкие слои разных материалов — как слоёный пирог.

Свет, проходя через оконное стекло, преломляется одинаково во всех направлениях. Но в тонких слоистых кристаллах всё иначе: свет, идущий вдоль слоёв, видит материал иначе, чем свет, идущий поперёк. Это как если бы лист бумаги был прозрачным, но по-разному пропускал свет, направленный вдоль волокон и поперёк.