вейлевский полуметалл

Квантовый мир полон сюрпризов: если поменять местами два электрона, их общая волновая функция лишь меняет знак, а если поменять местами два фотона — вообще ничего не происходит. Но есть частицы, которые при обмене местами ведут себя совсем иначе — как будто запоминают, что их переставили.

Два электрона, вылетевшие с кончика металлической иглы почти одновременно, начинают расталкиваться — это проявление кулоновского отталкивания одноимённых зарядов. Аналогия: два человека, которые одновременно протискиваются в узкую дверь: чем ближе они друг к другу, тем сильнее мешают.

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.

В мире двумерных материалов порой рождаются состояния столь же необычные, как и хрупкие. Одно из них — дробный аномальный холловский кристалл (FAHC) — словно квантовый кентавр: наполовину упорядоченная решётка, наполовину топологическая жидкость.

Море, пронизывающее всё пространство, остаётся невидимым для нас. Это море — тёмная материя, а волны на его поверхности — частицы под названием аксионы. Они настолько лёгкие и неуловимые, что проходят сквозь Землю, не замечая её. Но если эти волны ударяются о берег из особого материала, они могут оставить след — крошечный электрический ток.

Карусель с сиденьями двух типов: одни крутятся по часовой стрелке, другие — против. Если толкнуть сразу все, карусель дёрнется, но останется на месте. Так устроен кристалл вейлевского полуметалла: электроны в нём рождаются парами — «левый» и «правый», и их вклады в ток гасят друг друга, как два одинаковых мотора, включённых навстречу. Физики нашли способ толкать только один сорт сидений.

Два тонких листа с нарисованными сотами наложили друг на друга и слегка повернули. Возникает новый узор — муар, похожий на переливы шёлка. Примерно так же повели себя электроны в эксперименте: они выстроились в два слоя, и один слой оказался повёрнут относительно другого ровно на 30 градусов.

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.

В квантовом мире электроны могут вести себя как волны. Если создать для них особые условия, эти волны начнут чувствовать нечто похожее на гравитацию. В кристаллах, которые называют вейлевскими полуметаллами, электроны движутся так, будто у них нет массы, а их энергия зависит от направления — словно наклонённый конус.

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.

В сильном магнитном поле электроны, запертые в тонком слое, иногда выстраиваются в ровный узор — как гости на многолюдной вечеринке, которые нашли место, где никто не толкается. Такой порядок называют кристаллом, хотя это не лёд и не соль, а сами электроны, замершие на своих местах. Раньше этот узор лишь предполагали, а теперь его впервые разглядели напрямую.

Обычная флешка хранит биты в ловушках для электронов, но прочитать их можно только через отдельный провод и усилитель. В новой разработке роль и хранилища, и лампочки играет один и тот же кусочек полуметалла теллура.

Тепло и электричество обычно идут рука об руку, но заставить тепло превращаться в ток — задача не из лёгких. Материал GdTe3, слоистый кристалл с металлическим блеском, при охлаждении до 20 кельвинов (это −253 °C) и в сильном магнитном поле 13,5 тесла показал нечто неожиданное: его способность генерировать электричество из тепла подскочила сразу на 1075%.

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.

Бросьте камень в пруд — круги разойдутся ровно и затихнут. Гравитационные волны, рождённые слиянием чёрных дыр, ведут себя иначе: даже после прохождения основной волны остаётся слабый «хвост». Это как если бы после кругов на воде ещё долго дрожала рябь, вызванная не самим камнем, а тем, как вода «помнит» его удар.

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.

В двумерных кристаллах электроны и дырки — квазичастицы, соответствующие отсутствию электрона и несущие положительный заряд, — притягиваются, образуя связанные пары, называемые экситонами. При сильном охлаждении, когда тепловые флуктуации замирают, движения множества экситонов могут синхронизироваться, подобно слаженному танцу.

Резкий рывок за витой шнурок посылает по нему спиральную волну — аналогия, которая помогает представить, как сверхкороткая лазерная вспышка в кристалле RhSi рождает свет, мгновенно закрученный в трёхмерный штопор.

Если нагреть один конец проводника, а другой оставить холодным, электроны начинают перетекать от горячего к холодному. Обычно это создаёт напряжение вдоль проводника — как вода, текущая по наклонному жёлобу. Но в некоторых материалах электроны отклоняются вбок, и напряжение возникает поперёк.

Ядро атома обычно имеет чёткую форму — вытянутую, как дыня, или сплюснутую, как тыква. Но кремний-30 ведёт себя иначе: он словно не может решить, каким быть. В эксперименте пучок ядер кремния-28 и кремния-30 направляли на мишень из циркония-90 при энергиях вблизи кулоновского барьера — той границы, где ядра уже почти соприкасаются, но ещё не сливаются.

Плоский лист материала толщиной в один атом может проводить ток только по своим краям, как вода течёт вдоль бортиков подноса, а не через середину. В новой работе физики показали, что такие краевые «русла» можно перестраивать, просто поворачивая невидимую магнитную ось внутри листа.

Материал толщиной в один атом и рекордной чистоты — лишь один чужеродный атом на миллион — становится ареной удивительного явления. При охлаждении почти до абсолютного нуля электроны внутри, словно музыканты оркестра, замирают в строгом порядке, образуя электронный кристалл — состояние, предсказанное Юджином Вигнером почти век назад и потому называемое…

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.