В MIT открыли электронный лёд: представлено новое квантовое состояние в ультратонком графене
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) обнаружили, что электроны в ультратонких углеродных структурах способны «замерзать», образуя квантовый лед. Это состояние сосуществует с дробным квантовым эффектом Холла, что ставит под вопрос фундаментальные представления о поведении материи на атомном уровне. Открытие, сделанное в ромбоэдрическом пентаслойном графене, открывает путь к созданию электронных устройств нового поколения, работающих на принципах квантовой механики.
Почему графен стал «золотой жилой» для физиков
Речь идет о ромбоэдрическом пентаслойном графене — модификации материала, представляющей собой пять слоев углерода, уложенных с точным сдвигом. Такая сложная архитектура, напоминающая кристаллическую решетку, кардинально меняет энергетический спектр электронов. Как отметил руководитель группы Лун Цзюй, с момента открытия этой формы графена ученые буквально «каждой лопатой находят что-то новое». Материал становится идеальной платформой для наблюдения редких квантовых явлений, которые ранее требовали экстремально сильных магнитных полей.
Квантовый «сэндвич»: как устроен эксперимент
Чтобы заставить электроны проявить свои аномальные свойства, физики собрали многослойную структуру. Ромбоэдрический графен поместили между двумя пластинами гексагонального нитрида бора, создав подобие изолирующего «сэндвича». Подавая на эту систему различные напряжения, исследователи наблюдали за поведением зарядов при температурах, близких к абсолютному нулю — всего 30 милликельвинов. В этих условиях электроны перестали подчиняться классическим законам.
Фракционирование без магнитного поля
Одним из ключевых результатов стало наблюдение дробного квантового эффекта Холла. Ранее для его возникновения требовалось мощное внешнее магнитное поле, которое закручивало траектории частиц. В новой системе электроны начали «расщепляться» на квазичастицы с дробным зарядом спонтанно, под действием внутренних взаимодействий в кристаллической решетке. Это указывает на принципиально новый механизм формирования коллективных квантовых состояний.
Лед и реки: сосуществование противоположностей
Наиболее сенсационным открытием стало обнаружение электронного «льда» — состояния, в котором подвижность носителей заряда резко падает, и они фиксируются в определенных узлах решетки. При этом в том же образце сохраняются «реки» из жидких электронов, демонстрирующих дробный эффект Холла. По словам исследователей, управляя напряжением, можно менять ландшафт этой квантовой карты, превращая ледники в протоки и обратно. Такое сосуществование двух фаз в одном материале — исключительно редкое явление.
Важно отметить, что аналогичное поведение было зафиксировано не только в пятислойном, но и в четырехслойном ромбоэдрическом графене. Это говорит о том, что обнаруженный эффект носит фундаментальный характер для целого класса ультратонких материалов.
Подобные исследования — не просто академический интерес. Возможность контролировать фазовые переходы между квантовым льдом и жидкостью открывает перспективы для создания сверхпроводников, работающих при более высоких температурах, и логических элементов для квантовых компьютеров. Ученые MIT фактически нашли механизм переключения между различными электронными состояниями, что является ключевым требованием для любой вычислительной архитектуры.
