Недавнее исследование в области физики открыло интересные аспекты поведения электронов в графене, который уже давно считается одним из самых перспективных материалов. Группа ученых обнаружила, что при наложении двух слоев графена с небольшим поворотом образуется уникальная структура, в которой электроны ведут себя совершенно иначе, чем в обычных условиях.

Графен, состоящий из атомов углерода, расположенных в виде шестиугольников, уже давно привлекает внимание ученых благодаря своим выдающимся электрическим свойствам. В новом эксперименте ученые наложили два слоя графена и слегка повернули один из них, что привело к возникновению муарового узора. Этот узор создает уникальное распределение атомов, где некоторые из них идеально совпадают, а другие смещены.

В результате такого наложения электроны, проходя через скрученную структуру, демонстрируют необычные эффекты. Они замедляются и иногда изменяют направление движения, напоминая воронку, когда вода уходит в слив. Внутри материала электроны остаются неподвижными, создавая эффект изоляции, в то время как на краях электроны свободно движутся, позволяя электрическому току течь без сопротивления.

Это новое состояние называется топологическим электронным кристаллом. Оно отличается от обычных кристаллов Вигнера, где электроны также могут застывать. В данном случае вращательное движение электронов по краям придает материалу уникальные свойства. Топологические кристаллы обладают стабильностью, независимо от внешних факторов, таких как температура или давление, что делает их особенно ценными для электроники.

«Повседневным примером топологии является лента Мёбиуса — простой, но завораживающий объект. Удивительно, но как бы вы ни пытались манипулировать лентой, вы не сможете раскрутить ее обратно в обычную петлю, не разорвав ее на части», — отмечают авторы исследования.

Топология, как наука о формах и пространствах, играет ключевую роль в этом открытии. Когда электроны проходили через эту скрученную структуру, их поведение полностью менялось. «Например, электроны сильно замедлялись, а иногда в их движении появлялся изгиб, как воронка в воде на сливе ванны, когда она выливается», — сказал Джошуа Фолк, один из авторов исследования и профессор физики в Университете Британской Колумбии (UBC).

Такое поведение привело к странному электронному эффекту. Внутри материала электроны застыли на месте, заставив его действовать как изолятор. Однако вдоль краев электроны двигались без усилий, позволяя электричеству течь без сопротивления.

Топологические электронные кристаллы, выявленные в графене, могут служить основой для создания энергоэффективных устройств и отказоустойчивых квантовых вычислительных систем.