В графене впервые увидели гомеоморфизм кружки и пончика

Физики из Швейцарии, Японии и Великобритании впервые наблюдали переход Лифшица — фазовый переход в проводнике, связанный с изменением топологии поверхности Ферми в результате внешнего воздействия (поперечного электрического поля). Результаты своих исследований авторы опубликовали в статье в журнале Physical Review Letters, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Швейцарской высшей технической школы Цюриха.

Поверхность Ферми не является реальной поверхностью, а используется физиками для удобства математического описания поведения электронов в проводниках. Физически она отделяет заполненные электронные состояния от незаполненных, когда температура равна абсолютному нулю.

Для наглядного объяснения своих результатов ученые привели известный из топологии пример с гомеоморфизмом пончика и кружки. Несложно представить, как полость в кружке (куда обычно наливают жидкость) стягивается к ее ручке, в результате чего сама кружка становится похожей на бублик с дыркой. С другой стороны, обычный стакан без ручки нельзя таким образом преобразовать в пончик.

Свое название фазовый переход получил в честь его первооткрывателя — известного советского физика-теоретика Ильи Лифшица, одного из представителей школы Льва Ландау. Работы ученого в основном посвящены физике конденсированного состояния вещества. Его брат, Евгений Лифшиц, является одним из соавторов десятитомного Курса теоретической физики.

В своей работе ученые экспериментировали с двухслойным графеном. Он представляет собой два сложенных один над другим монослоев графена. Слои расположены на расстоянии менее одного нанометра друг от друга. Это приводит к тому, что электроны могут из одного слоя графена туннелировать в другой.

Туннелирование, то есть преодоление частицей потенциального барьера, когда энергии частицы для этого недостаточно, — квантовое явление. В классической физике такому объекту бы не удалось покинуть пределов потенциальной ямы.

В своей работе физики помещали двухслойный графен в поперечное электрическое поле, в результате чего наблюдали ряд фазовых переходов, меняющих свойства проводимости системы. В отличие от обычного (монослойного) графена, в двухслойном существует энергетическая щель (в которой не могут находится электроны с соответствующими значениями энергий), управляя шириной которой можно менять свойства проводника.

Ученые затрудняются ответить, какое приложение может найти открытие. Одним из возможных применений в будущем могут служить квантовые компьютеры, размышляют они. Специалисты продолжат опыты с новыми материалами: это основная задача их лаборатории.