топологические поверхностные состояния

Поверхность кристалла похожа на сцену, на которой должны разыгрываться квантовые эффекты. В материале MnBi2Te4, который относят к магнитным топологическим изоляторам, по поверхности должны бежать особые электронные состояния, а магнитный порядок открывает у них энергетическую щель — запрещённую зону, которая делает транспорт…

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.

Дверной замок с двумя разными ключами: один проворачивается легко, другой требует заметного усилия. Так ведут себя два слоя гексагонального нитрида бора, когда их поворачивают друг относительно друга. Этот материал состоит из атомов бора и азота, уложенных в шестиугольную сетку, и его слои могут лежать в разных положениях, как две одинаковые решётки, сдвинутые на разный угол.

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.

Два танцора на одной сцене: треугольник и полоса. В квантовом газе из атомов диспрозия, охлаждённом до 62 нанокельвинов, эти две пространственные структуры впервые столкнулись в одном эксперименте. Газ удерживается в ловушке, похожей на доску для сёрфинга, и атомы в нём — одни из самых магнитных в таблице Менделеева.

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.

Два прозрачных листа с нарисованными кругами. Если наложить их ровно, круги совпадут. Но стоит чуть повернуть один лист — и возникает новый узор: где-то круги сгущаются, где-то расходятся. Примерно так работает муар — неожиданный рисунок от поворота двух периодических структур. В этой работе учёные применили ту же идею к звуку, а точнее — к полю скоростей акустических частиц над перфорированной поверхностью.

Полярная молекула — это микроскопическая гантель с разнесёнными электрическими зарядами: на одном конце положительный, на другом отрицательный. Такая асимметрия делает их агрессивными: при сближении молекулы либо слипаются, либо разлетаются на большие расстояния, потому что электрические силы между ними очень сильны.

Кольцо собрали из нескольких разных кусков. В каждом куске частицы ведут себя по-своему — как музыканты с разными нотами. Самое интересное начинается на стыках: здесь частицы часто застревают, словно эхо, запертое в узком коридоре. Это явление называют скин-эффектом — частицы скапливаются у границы, как толпа у выхода. Но авторы заметили кое-что новое.

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.

Бозонные звёзды — это гравитационные атомы. Только вместо электрического заряда ядром служит сама гравитация, удерживающая облако скалярного поля в квантованных сгустках. Ещё в 1930-х Ф. Цвикки заподозрил нехватку видимой массы в скоплениях галактик, а В.

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 бассейне вода обычно разбегается кругами от брошенного камня. Но если направить поток строго вдоль бортика, она побежит только по краю. Нечто подобное заметили в кусочках сверхпроводящего кристалла FeTe0.55Se0.45. Когда измеряли сопротивление, выяснилось: ток идёт не сквозь весь кристалл, а только по его острой, идеально ровной границе — словно по невидимому желобу.

Вы ищете тихую комнату для важного разговора. Заходите в помещение — и слышите тишину. Но стоит приглядеться, как выясняется: в одном углу просто сломана вентиляция, а в другом — провал в полу, который гасит звук. Примерно так же физики охотятся за майорановскими нулевыми модами — особыми возбуждениями в сверхпроводниках, которые могут стать идеальными ячейками для квантовых вычислений.

Узкая длинная сковорода — и тонкий блин застывает на ней неровными полосами. Десятилетиями ученые видели похожую картину, когда моделировали поведение электронов в сверхпроводниках — материалах, проводящих ток без потерь. Они использовали вытянутые «цилиндры», и результат всегда был один: жесткие магнитные «полосы», которые, как считалось, мешают сверхпроводимости.

В середине XX века Роджер Пенроуз описал чёрную дыру через понятие «ловушечная поверхность» — замкнутую область, где даже луч света, направленный наружу, неумолимо падает к центру. Ситуация, знакомая каждому: вода в воронке раковины безвозвратно уносится в слив.

Квантовое рождение Вселенной напоминает игру в кости, где шанс выпадения шестёрки катастрофически мал. Формализм Хокинга и Хартла — элегантный рецепт рождения мира из безвременья — десятилетиями предсказывал: вселенная, подобная нашей, — событие фантастически невероятное.

Камень падает в пруд, и по воде расходятся круги. Они отражаются от берега, накладываются друг на друга, гаснут. Всё это движение разворачивается в пространстве. Но что случится, если сам пруд на миг изменит глубину или плотность — не в одной точке, а повсюду и сразу? Временная граница — это именно такой скачок свойств во времени, а не в пространстве.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Падающая с ветки ящерица не просто кувыркается — она ловит воздух телом и превращает падение в скольжение. Инженеры давно подсматривают за такими трюками, но до сих пор не было общего языка, чтобы сравнить планирование змеи, ящерицы и рукотворного крыла. Новая работа вводит такой язык: трёхмерную карту скоростей, на которой видно, куда неизбежно скатывается любое движение.

Тонкая проволочка из кристалла α-Bi₄Br₄ — смесь висмута и брома — проводит ток не как обычный провод. Внутри неё электричество движется только по краям, словно вода по желобу, не задевая дно и стенки. Такое поведение называют топологической изоляцией: внутри материал не проводит, а по поверхности или краям электроны скользят без потерь.

Свет обычно стремится разлететься во все стороны, как брызги от брошенного камня. Но его можно поймать в невидимую клетку, где он будет кружить на месте, почти не теряя энергии. Именно такую клетку построили физики, взяв магнитный материал CrSBr — слоистый кристалл, который можно расщепить на пластинки толщиной в несколько атомов.

В 1976 году Герард ’т Хоофт заметил, что вакуум калибровочной теории не так прост, как кажется: он обладает топологической структурой, которая проявляется в ненулевой топологической восприимчивости. Эта величина — мера чувствительности вакуума к топологическим конфигурациям полей — требует наличия псевдоскалярного состояния, частицы с нулевым спином и отрицательной чётностью.

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.

В 1979 году Су, Шриффер и Хигер предложили модель, которая объяснила странные электрические свойства полиацетилена — органического полимера, проводящего ток почти как металл. Их цепочка состояла из атомов углерода, соединённых попеременно то одинарными, то двойными связями.