Нобелевский лауреат Андрей Гейм и его коллеги открыли новый класс квазичастиц, которые существуют внутри графена – двумерной формы углерода. Статью с описанием работы опубликовал научный журнал Nature Communications.

«Все мы хорошо знаем, что электроны движутся по прямой линии в тех случаях, когда внешнее магнитное поле отсутствует, а при его появлении они начинают двигаться по кругу. Если же наложить друг на друга лист графена и нитрида бора, траектории электронов внутри них начинают искривляться сами по себе, тогда как приложение магнитного поля выпрямляет их», – заявил физик из Манчестерского университета (Великобритания) Жульен Баррье, слова которого приводит пресс-служба вуза.

Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, которые соединены между собой структурой химических связей, напоминающих структуру пчелиных сот. За получение и изучение первых образцов графена присудили Нобелевскую премию по физике 2010 года – награду получили выходцы из России Константин Новоселов и Андрей Гейм.

Дальнейшие исследования показали, что у одиночных листов графена, а также у многослойных конструкций из него и других веществ с похожей структурой, есть множество экзотических свойств. К примеру, два года назад физики из США превратили графен в экзотический изоляторо-сверхпроводник, склеив два кусочка этого материала под определенным углом и получив своего рода муаровый узор.

Гейм и его коллеги открыли еще один подобный экзотический эффект, который возникает благодаря взаимодействиям листов двумерных материалов. В ходе своего исследования авторы статьи изучали, как устроены так называемые квантовые бабочки Хофштадтера, которые возникают внутри двуслойных конструкций из графена и нитрида бора.

Это явление впервые теоретически описал американский физик Дуглас Хофштадтер в 1976 году. Он показал, что при появлении переменного магнитного поля электроны в плоском листе материи должны двигаться по особым орбитам, совокупность которых похожа на крылья бабочки. С точки зрения математики бабочка Хофштадтера представляет собой фрактал – самоповторяющуюся структуру, крайне редко возникающую в мире физики.

Крылья квантовой бабочки

Семь лет назад Гейм и Новоселов обнаружили, что если приложить к двойным структурам из листов графена и нитрида бора магнитное поле, внутри них возникают подобные «бабочки». Продолжая эксперименты с этими конструкциями, Гейм и его коллеги открыли необычное магнитное явление.

Охладив такой «бутерброд» из графена и нитрида бора до очень низких температур и приложив к нему магнитное поле, ученые заметили, что электроны внутри него далеко не всегда вели себя так, как это предсказывает классическая теория, разработанная британским физиком Полем Дираком в 1928 году.

В частности, в некоторых случаях электроны просто «не замечали», что на них воздействует магнитное поле, и продолжали двигаться по прямой линии. Если же магнитное поле отключали, траектории движения частиц начинали изгибаться сами по себе – подобно тому, как если бы они двигались внутри сильного поля.

Подобным образом, как предположили ученые, должны вести себя квазичастицы, которые они назвали «фермионами Брауна – Зака». Они представляют собой коллективные колебания электронов внутри листа графена, которые ведут себя как гигантская частица с нулевой массой, похожая по своим свойствам на фотон.

Благодаря этому свойству «фермионы Брауна – Зака» почти не реагируют на магнитные поля и движутся по прямой линии даже в том случае, когда ученые прикладывали к графену магниты, мощность которых превышала силу магнитного поля планеты в сотни тысяч раз.

Благодаря подобной особенности таких квазичастиц их можно использовать для создания электроники, которая может работать внутри сверхмощных магнитных полей, обычно выводящих компьютерную технику из строя. Как предполагают ученые, подобные частицы могут существовать не только внутри графена, но и других двумерных материалов, что они планируют проверить в ближайшее время.