двумерный кристалл

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.

Колода карт, в которой каждая карта слегка повёрнута, не может лечь ровно: рубашки и рисунки никак не совпадут. Но если карты гибкие, они начнут подстраиваться, сдвигаясь на доли миллиметра, чтобы найти идеальное совпадение. Нечто похожее происходит внутри кристаллов, когда два толстых слоя MoS2 или MoS2 с WS2 складывают с поворотом на 1–2 градуса.

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.

Внутри кристалла разворачивается незримый балет: магнитные моменты атомов, словно танцоры, то выстраиваются в унисон, то рассыпаются в противофазе. Хореографию диктует квантовый обмен — музыка, чуткая к геометрии связей. Согласно правилам Гуденафа–Канамори–Андерсона, угол M–X–M между магнитным ионом, лигандом и соседним магнитным ионом определяет, смотрят ли спины в одну сторону или врассыпную.

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.

Кристалл похож на строй солдат на плацу: каждый атом на своём месте, и электроны маршируют по нему ровными волнами. Аморфный материал — это толпа на вокзале, где никакого порядка нет, одна сплошная толчея. В такой толпе электрон обычно быстро застревает, словно человек, пытающийся пройти сквозь плотную массу людей.

Выложите пол одинаковыми треугольниками — получится скучный повторяющийся узор. А если хочется, чтобы рисунок никогда не повторялся, но плитка была всего одна? Долгое время математики были уверены: так не бывает. Нужны хотя бы две разные фигуры. Знаменитая мозаика Пенроуза — как раз такой случай: ромбы с острыми и тупыми углами складываются в бесконечно разнообразный, но строго упорядоченный узор.

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.

Представьте идеально гладкий пруд: малейшее дуновение ветерка порождает рябь на его поверхности. В роли такого пруда выступает плоский кристалл из заряженных атомов — ионов, удерживаемых в электромагнитной ловушке.

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.

На кремниевой подложке вырастили тончайшую пленку из органических молекул. В ней, как в листе бумаги, расчерченном на клетки, с помощью иглы сканирующего туннельного микроскопа выложили крошечные «загоны» — искусственные атомы.

Сверхпроводник — это материал, который при сильном охлаждении теряет электрическое сопротивление: ток по нему течет без потерь. Ученые взяли слоистый кристалл PdTe2, похожий на стопку листов бумаги, и охладили его до температуры ниже 1,8 кельвина (это примерно -271°C). В таких условиях PdTe2 становится сверхпроводящим.

Поваренная соль на кухне делает еду вкуснее, а в лаборатории — помогает растить кристаллы толщиной в несколько атомов. Учёные взяли селенид олова и с помощью соли вырастили из него тончайшие пластинки — настолько тонкие, что их называют двумерными. Соль выступила как разделитель: она не давала пластинкам слипаться и заставила их ровно лечь на подложку, как блинчики на сковороде.

Лист графена толщиной в один атом подвешен в воздухе, как натянутая простыня. По нему бегут волны тепла — колебания атомов, которые физики называют фононами. Раньше считалось, что эти волны быстро рассеиваются из-за сильного взаимодействия, и тепло передаётся плохо. Но эксперименты показывали обратное: тепло идёт лучше, чем по старым расчётам.

Лист графена толщиной в один атом — как идеально ровная скатерть, по которой катятся электронные шарики. Поставьте на пути этих шариков электрический барьер — и обычно они отскочат назад. Но в графене всё иначе: при некоторых условиях электроны проходят сквозь барьер, даже не заметив его, словно стена из тумана.

Сверхтонкий кристалл из атомов вольфрама и серы похож на идеальную парковку: все места заняты, всё ровно. Но иногда одного атома не хватает — получается яма-дефект. Если в такую яму попадает экситон (пара из электрона и «дырки», которая переносит энергию света), он может застрять и высветить её иначе, чем в чистом месте.

Кристалл размером с половину спичечного коробка вырастили в печи, где расплавленная зона медленно ползла вдоль стержня, оставляя за собой идеально упорядоченные слои. Внутри этого кристалла ионы меди сидят в узлах треугольной сетки — но треугольники слегка перекошены, как будто кто-то надавил на один угол. Каждый ион меди ведёт себя как крошечная магнитная стрелка, которая может указывать вверх или вниз.

Крошечная чешуйка кристалла лежит на подложке, как осенний лист на ладони. Толщина — тоньше человеческого волоса, а внутри кипят квантовые эффекты: сверхпроводимость, магнитный порядок, квантовая спиновая жидкость. Но как измерить, насколько эта чешуйка разбухает от тепла или сжимается в магнитном поле?

Представьте себе стопку блинов, где каждый блин намагничен, но направления намагниченности в соседних блинах противоположны. Именно так устроен новый магнитный материал: в каждом атомном слое все магнитные моменты — «стрелки» атомов — выстроены в одном направлении, а следующий слой намагничен строго в обратную сторону.