Физики открыли новое семейство квазичастиц

Ученые из Манчестерского университета под руководством лауреата нобелевской премии Андрея Гейма обнаружили новое семейство квазичастиц в графен-нитриде бора. Их назвали «фермионами Брауна — Зака»; статья об этом опубликована в Nature Communications.

Открытие состоялось благодаря тщательной работе над исследуемым материалом. Ученые смогли четко выравнять атомную решетку графенового слоя по изолирующему слою нитрида бора, тем самым резко изменив свойства графена.

«В нулевом магнитном поле электроны движутся по прямым траекториям, а если вы приложите к ним магнитное поле, они начнут перемещаться по дуге, — объясняют Жюльен Барьер и Пиранаван Кумаравадивел, которые проводили эксперименты в рамках исследования. — В слое графена, который был выравнен по нитриду бора, траектории также начинают изгибаться, но если установить магнитное поле с определенными параметрами, частицы снова будут двигаться по прямолинейным траекториям, как будто магнитного поля больше нет!»

Подобное поведение электронов радикально отличается от теоретических предсказаний. Ученые связывают этот феномен с образованием в сильном магнитном поле новых квазичастиц с высокой подвижностью. До сих пор коллективное поведение электронов в графене рассматривалось в терминах фермионов Дирака — квазичастиц, обладающих уникальными свойствами (например, отсутствием массы), которые воспроизводятся в сильных магнитных полях. Однако такой подход не позволял описать некоторые экспериментальные эффекты.

Авторы работы предлагают «фермионы Брауна — Зака» как семейство квазичастиц, существующих в графеновых сверхрешетках (кристаллических решетках с дополнительным периодическим потенциалом) в сильном магнитном поле. Их можно представить как коллективные колебания электронов в слое графена, которые совокупно ведут себя как гигантская частица с нулевой массой.

Благодаря своим свойствам квазичастцы почти не реагируют на магнитные поля и способны двигаться по прямой траектории и под воздействием очень сильных магнитов. «Фермионы Брауна — Зака» сохраняли путь движения даже под влиянием поля с индукцией в 16 тесл — в 500 тысяч раз больше, чем у магнитного поля Земли!

Результаты открытия впоследствии можно применить при создании электронных устройств и аппаратуры, устойчивых к сильным магнитным полям. Исследователи предполагают, что подобные квазичастицы реально наблюдать не только в графен-нитриде бора, но и в других двумерных материалах.

Ранее мы также сообщали о случайном открытии физиков, которое позволяет стабилизировать реакции термоядерного синтеза, а также о первом подтвержденном случае сверхпроводимости при комнатной температуре.