Ученые обнаружили новый тип квазичастиц в графене, которые назвали фермионами Брауна-Зака. По своему поведению в магнитном поле они отличаются от дираковских фермионов, имеют высокую подвижность и длину свободного пробега, превышающую несколько микрометров. Работа опубликована в Nature communications.

Свободные электроны в магнитном поле подчиняются законам классической физики: если направление поля перпендикулярно направлению движения электрона, то его траектория закручивается и он начинает двигаться по окружности. Если проекция скорости электрона на направление магнитного поля не нулевая, то траектория частицы представляет собой спираль вдоль направления поля. Причем чем сильнее магнитное поле, тем сильнее в нем закручивается траектория электрона. Только при нулевых или очень слабых полях электроны могут двигаться по прямым или баллистическим траекториям.

Электроны в кристаллической решетке ведут себя немного сложнее, чем свободные, из-за наличия периодического потенциала самой решетки (его движение рассматривается как движение квазичастицы). При постоянном электрическом поле электрон (или любая другая частица) в твердом теле будут осциллировать, такие осцилляции называются осцилляциями Блоха. Наблюдать их можно, например в сверхрешетках — таких структурах, в которых помимо периодического потенциала кристаллической решетки существует дополнительный периодический потенциал с периодом больше постоянной решетки. Чаще всего для получения сверхрешеток соединяют два материала с разными постоянными решетки. В магнитном поле они демонстрируют сложный фрактальный спектр, который называют бабочкой Хофштадтера.

Группа ученых под руководством Александра Бердюгина (A. I. Berdyugin) из Университета Манчестера обнаружила в сверхрешетке графена с нитридом бора квазичастицы, которые двигаются по прямым траекториям даже при приложении ненулевого магнитного поля и обладают высокой подвижностью.