долина

В водном растворе плавают микроскопические шарики — коллоидные частицы. Каждый шарик покрыт длинными полимерными нитями, образующими подобие щётки, и несёт электрический заряд. При определённых температуре и составе раствора такие частицы самопроизвольно выстраиваются в упорядоченные структуры — коллоидные кристаллы.

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.

Кремний — тот самый материал, из которого сделаны процессоры в каждом телефоне и ноутбуке. Теперь в нём научились ловить одиночный электрон и управлять его спином — крошечным магнитом, который может указывать «вверх» или «вниз». Это как держать в руках волчок: его ось можно наклонять и поворачивать, но здесь вместо рук — электрическое поле.

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.

Две квантовые точки — это как два крошечных кармана в куске кремния, где электрон может сидеть, как шарик в лунке. Когда карманы далеко друг от друга, каждый электрон живёт сам по себе, и его энергия похожа на уровни одинокого атома. Но если карманы сблизить, электрон начинает чувствовать соседа, и уровни расщепляются — получается подобие молекулы с общими, разделёнными состояниями.

Вы считаете песчинки, падающие в песочные часы, но каждый раз ветер то добавляет, то уносит несколько штук. В самых чувствительных камерах похожая задача: нужно понять, сколько «песчинок» (электронов) добавил сам сенсор, а сколько пришло от света. Этот собственный шум сенсора называют шумом считывания, и он мешает видеть слабые сигналы — например, свет далёкой звезды.

В кристалле кремния атом фосфора держит лишний электрон на двух очень близких орбитах. Эти орбиты похожи на два соседних этажа в доме, где лестница почти незаметна. Короткий лазерный импульс в среднем инфракрасном диапазоне толкает электрон с нижнего этажа на верхний, и тот начинает качаться между ними, как маятник.

Электроны в проводнике обычно ведут себя как газ: носятся хаотично, сталкиваются, не держат строя. Но если их растащить подальше друг от друга и сильно охладить, взаимное отталкивание может заставить их встать по местам — как посетителей в переполненном зале, которые рассаживаются через кресло.

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.