Международная группа учёных обнаружила новый класс квантовых состояний в специально созданной структуре графена. Исследование, опубликованное в журнале Nature, проводилось совместными усилиями специалистов из Университета Британской Колумбии, Вашингтонского университета и Университета Джонса Хопкинса.

В основе открытия лежит уникальная конфигурация из двух и трёх слоёв графена, созданная путём наложения их друг на друга под определённым углом поворота. Профессор Джошуа Фолк из Департамента физики и астрономии UBC и Института квантовой материи Блюссона поясняет, что исходным материалом служат графеновые хлопья, в которых атомы углерода расположены в виде сотовой структуры.

При наложении слоёв графена друг на друга с небольшим поворотом возникает геометрический интерференционный эффект, известный как муаровый узор. В некоторых областях получившейся структуры атомы углерода из разных слоёв оказываются точно друг над другом, в то время как в других – они смещены. Это кардинально меняет электронные свойства материала: электроны значительно замедляются и приобретают вращательное движение, напоминающее водоворот.

В ходе эксперимента была обнаружена особая конфигурация устройства, в которой электроны «замерзают» в идеально упорядоченный массив, оставаясь неподвижными, но при этом синхронно вращаясь на месте. Это синхронизированное вращение приводит к новому явлению: электрический ток беспрепятственно течёт по краям образца, в то время как его внутренняя часть остаётся изолирующей из-за обездвиженных электронов.

Особенно важно, что величина тока, протекающего по краю, точно определяется отношением двух фундаментальных констант природы – постоянной Планка и заряда электрона. Точность этого значения гарантируется топологическим свойством электронного кристалла, которое описывает характеристики объектов, остающиеся неизменными при умеренных деформациях.

Профессор Янковиц проводит аналогию с лентой Мёбиуса – объектом, который невозможно преобразовать в обычное кольцо без разрыва. Подобным образом вращение электронов в кристалле создаёт особые краевые состояния, где электроны могут течь без сопротивления, оставаясь при этом зафиксированными внутри самого кристалла.

Открытие имеет не только фундаментальное значение, но и открывает новые возможности для развития квантовых вычислений. В частности, учёные рассматривают перспективы объединения топологического электронного кристалла со сверхпроводимостью для создания кубитов топологических квантовых компьютеров».