Физики нашли квантовую «пуповину» между металлами и изоляторами

Согласно квантовой теории, электроны в атомах могут занимать только строго определенные уровни энергии, между которыми существуют запрещенные зоны. В твердых телах, состоящих из множества атомов, ситуация становится сложнее: электроны формируют разрешенные и запрещенные энергетические зоны.

В металлах, где электроны могут свободно перемещаться, разрешенная и запрещенные зоны перекрывают друг друга. В изоляторах, наоборот, широкие запрещенные зоны блокируют движение электронов, а материал не может проводить электричество.

Важны как энергия, так и импульс (или скорость) электронов: электрон может принимать различные значения импульса. Значит, его энергия тоже меняется, но только в определенном диапазоне. Чтобы перейти из одного разрешенного диапазона энергии в другой, электрону нужна дополнительная энергия из внешних источников.

Как именно распределяются эти энергетические зоны, зависит от материала и силы взаимодействия между электронами. Эту силу можно контролировать, изменяя состав материала легированием — введением примесей атомов другого типа.

Исследователи из Венского технического университета (TU Wien) обнаружили универсальное явление, связанное с переходами между квантовыми состояниями в твердых телах. Выяснилось, что при изменении силы взаимодействия между электронами одна разрешенная зона энергии может разделиться на две.

Однако в процессе разделения эти две зоны остаются связаны своеобразной квантовой «пуповиной». В большинстве случаев электрон должен выбрать одну из зон, но существует одна особая точка величины импульса электрона, где возможен широкий диапазон значений энергии, соединяющий обе зоны.

Эффект «квантовой пуповины» наблюдали ранее, но его причины оставались неясными. Теперь ученым удалось доказать, что это явление закономерно и можно определить условия, при которых пуповина возникает. Открытие физиков вводит новую категорию состояний в твердых телах, находящихся между проводниками и изоляторами. Научная работа опубликована в журнале Nature Communications.

«Наши результаты показали, что „пуповина“ должна возникать естественным образом при разделении энергетических зон. Это открывает новый взгляд на свойства материалов, которые могут быть полезны для создания новых технологий», — отметил профессор физики Карстен Хельд (Karsten Held).