Китайские учёные из Нанкинского университета под руководством Лэй Вана подтвердили обнаружение странного поведения электронов в тонком углеродном материале. Эксперимент, результаты которого ранее были опубликованы в журнале Nature, показал новый способ движения электронов, который не вписывается ни в двумерное, ни в трёхмерное пространство.
Группа физиков изучала тонкие слои материала из атомов углерода, расположенных в форме ромбов. Целью было наблюдение за идеально эффективными токами. Однако при помещении образца в магнитное поле электроны повели себя странно: они демонстрировали трансмерный аномальный эффект Холла (принято обозначать TDAHE). В обычном эффекте Холла электроны в тонком материале под магнитным полем движутся по круговым орбитам и смещаются к краям. В новом явлении материал реагировал на два взаимно перпендикулярных магнитных поля одновременно. Электроны совершали петли как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях — хотя толщина образцов (2–5 нанометров) слишком мала для полноценного 3D-поведения и слишком велика для чистого 2D. Сначала исследователи заподозрили ошибку. Но повторные эксперименты на разных образцах подтвердили результат. Учёные назвали это состояние «трансмерным» (transdimensional). Оно существует в промежуточном режиме, не относясь ни к хорошо изученным 2D-, ни к 3D-системам. Они утверждают, что это не «смесь» измерений, а принципиально новый режим движения элементарных частиц. Эксперты отмечают, что такое поведение связано с нарушением симметрии в математическом описании состояний электронов. Новое состояние иногда сравнивают с так называемым «четверть-металлом», где возможности электронов ограничены особым образом. Это особое состояние материи в сильно коррелированных двумерных материалах, прежде всего в ромбоэдрическом графене. Говоря проще, в обычном металле электроны могут занимать 4 состояния в зоне проводимости: два по спину (вверх/вниз) и два по так называемой долине (valley — особенность зонной структуры графена). В четверть-металле сильные межэлектронные взаимодействия плюс внешние поля (электрическое, магнитное) «ломают» симметрию, и все носители заряда спонтанно собираются в одном единственном состоянии. Физики называют его карманом. Открытие может повлиять на понимание квантовых материалов и развитие электроники. Теперь команда Лэй Вана планирует искать «трансмерную физику» в других веществах и изучать её с помощью более точных инструментов. Примером возможного использования этого открытия может стать развитие систем защищённой связи, когда необходимо зашифровать сигнал особым образом. В частности, речь идёт о гипотетической системе связи с несколькими уровнями шифрования и меньшими затратами энергии. Также открытие позволяет взглянуть по новому на сам подход к передаче электрических импульсов — к материалам, которые используются в современном мире в качестве проводников.