Исследователи наблюдают трансмерный аномальный эффект Холла в 9-слойном графене

Международной команде исследователей удалось впервые наблюдать совершенно неизвестное квантовое состояние, которое бросает вызов установленным правилам современной физики. Явление было обнаружено в девятислойном ромбоэдрическом графене, материале толщиной от 2 до 5 нанометров, который существует в промежуточной зоне между двумерным и трехмерным миром. Результат представляет собой фундаментальный прогресс в понимании поведения электроники в мельчайших масштабах.

Открытие, сделанное исследователями Лей Ваном и Геляном Ю из Нанкинского университета в Китае вместе с сотрудниками других китайских учреждений, выявило новый эффект, названный «Транспространственный аномальный эффект Холла» (TDAHE). В этом беспрецедентном состоянии электроны движутся одновременно в двух измерениях и в вертикальном направлении, поведение, которое противоречит традиционным классификациям материи и открывает путь для применения в устройствах памяти со сверхнизким энергопотреблением.

Принцип, который считался неприкосновенным

Уже более века физика установила правило, считающееся абсолютным при описании аномального эффекта Холла. Так называемый «Закон ортогональности» определяет, что три фундаментальных компонента: намагниченность (M), ток (J) и результирующее электрическое поле (E_H) всегда должны быть перпендикулярны друг другу. Этот закон прекрасно работал в известных системах, формируя все научное понимание того, как электроны ведут себя в магнитных полях.

В двумерных системах, таких как однослойный графен, электроны движутся, ползая по плоскости. Его намагниченность ориентирована перпендикулярно плоскости, что подтверждает правило ортогональности. В плотных трехмерных системах электроны получают больше свободы движения в вертикальном направлении, но они часто сталкиваются с примесями и другими электронами, сводя на нет любое когерентное вертикальное орбитальное движение. Конечный результат сходится к поведению, которое представляет собой просто сумму двумерных случаев. Теоретически некоторые исследователи уже высказывали предположения о существовании государств, способных обойти этот фундаментальный закон. Однако достижение этого в реальных материалах на протяжении десятилетий представляло собой огромные проблемы.

Ромбоэдрический графен как пространственный портал

Материал для этого исторического эксперимента выбран не случайно. Ромбоэдрический графен очень специфической толщины, состоящий из нескольких атомных слоев углерода толщиной всего от 2 до 5 нанометров, создал идеальную среду для наблюдения за межпространственным поведением. В этом крошечном масштабе электроны сталкиваются с неисследованной областью, к которой строго не применяются правила обоих измерений.

Теоретическая задача была огромной. Графен, состоящий исключительно из углерода, обладает чрезвычайно слабым свойством, называемым «спин-орбитальное взаимодействие», с величиной около 40 мкэВ. Это взаимодействие связывает вращение (спин) и орбиту (обращение) электронов. Исследователи полагали, что невозможно достичь аномального эффекта Холла при плоскостной намагниченности в графеновых системах, поскольку это свойство считалось существенным для тяжелых металлических элементов. Нынешнее открытие полностью отменяет это ограничение.

#NJU Joint Research Published in Nature

Recently, the research group led by Professor Lei Wang at the School of Physics, Nanjing University, in collaboration with Professor Geliang Yu’s group at Nanjing University, Associate Professor Jianpeng Liu’s group at ShanghaiTech… pic.twitter.com/DO7kzMmekR

— Nanjing University (@NJU1902) April 30, 2026

Механизм электронного танца

Объяснение этого явления основано на сложных концепциях квантовой физики, но обнаруживает поразительную элегантность. Исследователи объяснили, как электронные волны (представленные поверхностями Ферми) претерпевают серповидные искажения. Эта деформация является результатом сильной силы отталкивания между самими электронами, не зависящей исключительно от спин-орбитального взаимодействия тяжелых металлов, как предполагалось ранее.

В новом транспространственном состоянии орбитальная намагниченность в плоскости (горизонтальное движение) и вне плоскости (вертикальное движение) одновременно взаимодействует когерентным образом. Электроны танцуют по схеме, в которой они поддерживают двумерное плоское движение и одновременно совершают трехмерное вертикальное движение. Это одновременное соединение нарушает Закон ортогональности, который преобладал бы в любом другом известном контексте.

Leia Tambem

Гороскоп дня: смотрите прогноз на сегодня для вашего знака (06.02.2026)

Исследование предполагает, что астероид 1998 KY26, который посетил Хаябуса-2, может иметь искусственное происхождение

Разбираемся, почему пожарные машины облили водой самолет бразильской команды

Команда наблюдала «межпространственный аномальный эффект Холла» посредством тщательных измерений тока, намагниченности и напряжения Холла. Экспериментальные данные показали, что эти три величины не соответствуют ожидаемой ортогональной конфигурации. Вместо этого они представляют совершенно новое геометрическое соотношение, которое описывает реальность этого промежуточного квантового состояния.

Последствия для технологий и материаловедения

Важность этого открытия выходит далеко за рамки академического интереса. Чистый орбитальный магнетизм, проявляющийся вне зависимости от спин-орбитального взаимодействия тяжелых металлов, обеспечивает новый принцип проектирования инновационных устройств. Исследователи уже указывают на перспективу создания магнитной памяти со сверхмалым энергопотреблением — важнейшей технологии в эпоху искусственного интеллекта.

Обычные устройства памяти потребляют значительное количество энергии при записи и извлечении данных. Механизм, основанный на межпространственном аномальном эффекте Холла, мог бы выполнять эти операции с резко уменьшенной диссипацией энергии. Кроме того, это открытие открывает двери для изучения других экзотических квантовых состояний, которые могут существовать в аналогичных материальных структурах.

• Основные характеристики нового квантового состояния:
• Наблюдается в ромбоэдрическом графене толщиной от 2 до 5 нанометров.
• Одновременно связанные плоские и внеплоскостные орбитальные намагниченности.
• Нарушает закон ортогональности, установленный более ста лет назад.
• Не зависит от спин-орбитального взаимодействия тяжелых металлов
• Перспективы применения магнитной памяти со сверхнизким энергопотреблением

Концептуальная проблема размерности

Это открытие подчеркивает глубокую реальность: человеческое понимание природы по своей сути формируется жизненным опытом в трех измерениях. Ученые провели четкие границы между чрезвычайно тонким двумерным миром, примером которого является графен (один атомный слой углерода), и трехмерным миром, в котором мы живем с твердой материей. Поведение электронов было отнесено к одной из этих двух категорий, и вся современная физика конденсированного состояния построена на этих основах.

Но природа, как это часто бывает, оказалась более сложной, чем наши категории. В промежутках всего в несколько нанометров между чрезвычайно тонкими слоями углерода существует до сих пор неизведанная область. В этом пространственном разрыве законы обоих измерений не совсем применимы. Поведение электронов не соответствует ни плоской 2D-модели, ни объемной 3D-модели, но представляет собой нечто действительно новое.

Следующие вопросы научному сообществу

Открытие межпространственного аномального эффекта Холла открывает множество направлений будущих исследований. Теперь ученые задаются вопросом: могут ли другие экзотические квантовые состояния быть скрыты в подобных материальных структурах? Какой точный диапазон толщины и состава материала необходим для наблюдения этого явления? Могут ли системы других составов, а не только ромбоэдрический графен, демонстрировать подобное трансмерное поведение?

Исследовательская группа продолжит изучать параметры, позволяющие наблюдать новое квантовое состояние. Полное понимание этого механизма может произвести революцию в разработке материалов для приложений в электронике, квантовых вычислениях и хранении данных.

В истории физики часто бывают моменты, когда открытие отменяет правило, считающееся неприкосновенным, и открывает путь новой парадигме. Наблюдение трансмерного аномального эффекта Холла в ромбоэдрическом графене представляет собой именно такой момент. Ученым удалось запечатлеть странное квантовое состояние, которое фундаментально противоречит здравому смыслу, продемонстрировав, что границы измерений, которые мы считали жесткими, на самом деле могут быть проницаемыми.