Девятислойный графен обнаруживает квантовое состояние, которое бросает вызов физике веков

Исследователи из Нанкинского университета в Китае под руководством Лэй Ванга и Геляна Юй впервые наблюдали совершенно новое поведение электроники, которое противоречит принципам, установленным более ста лет назад. Явление, получившее название «Трансмерный аномальный эффект Холла» (TDAHE), было обнаружено в ромбоэдрическом графене толщиной всего от 2 до 5 нанометров. Это открытие представляет собой фундаментальный прогресс в понимании того, как электроны ведут себя в микроскопических масштабах, и открывает перспективы для устройств памяти со сверхмалым энергопотреблением.

Закон, который управлял электронной физикой более века

На протяжении поколений физика установила правило, считающееся абсолютным: «Закон ортогональности». Этот принцип определяет, что три фундаментальных компонента — намагниченность (M), ток (J) и результирующее электрическое поле (E_H) — всегда должны быть перпендикулярны друг другу. Это правило прекрасно работало в известных системах, формируя все научные представления о поведении электронов в магнитных полях.

#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

В двумерных системах, таких как однослойный графен, электроны движутся в плоскости, а намагниченность ориентирована перпендикулярно. В плотных трехмерных системах электроны получают свободу вертикального движения, но часто сталкиваются с примесями, сводя на нет любое когерентное орбитальное движение. Результирующее поведение всегда сходилось к сумме двумерных случаев. Теоретически некоторые исследователи уже предполагали существование государств, способных обойти этот фундаментальный закон, но достижение этого на реальных материалах представляло собой гигантские проблемы на десятилетия.

Ромбоэдрический графен как среда трансмерного явления

Материал для этого эксперимента выбран не случайно. Ромбоэдрический графен с очень специфической толщиной — всего несколько атомных слоев углерода — 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 и орбиту 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 опровергает это теоретическое ограничение.

Механизм транспространственного электронного танца

Объяснение этого явления основано на сложных концепциях квантовой физики, но обнаруживает поразительную элегантность. Исследователи объяснили, как электронные волны 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.

Leia Tambem

Романтические комедии и детективы появятся на Netflix в июне вместе с Office Passion и Oasis.

Уругвай объявил состав команды на ЧМ-2026, в которую вошли шесть бразильских футболистов

Когда начнется чемпионат мира по футболу 2026 года? Дата, время, первая игра и церемония открытия

В новом транспространственном состоянии орбитальная намагниченность в плоскости и вне плоскости соединяются одновременно когерентным образом. Электроны поддерживают двумерное плоское движение, одновременно выполняя трехмерное вертикальное движение. Это одновременное соединение нарушает Закон ортогональности, который преобладал бы в любом другом известном контексте. Команда наблюдала этот эффект посредством тщательных измерений тока, намагниченности и напряжения Холла, обнаружив совершенно новую геометрическую зависимость.

• Наблюдается в ромбоэдрическом графене толщиной от 2 до 5 нанометров.
• Одновременно связанные плоские и внеплоскостные орбитальные намагниченности.
• Это нарушает закон ортогональности, установленный более ста лет назад.
• Оно не зависит от спин-орбитального взаимодействия тяжелых металлов.
• Обещает применение в области магнитной памяти со сверхнизким энергопотреблением.

Технологические приложения в памяти и хранении данных

Важность этого открытия выходит далеко за рамки академического интереса. Чистый орбитальный магнетизм, проявляющийся вне зависимости от спин-орбитального взаимодействия тяжелых металлов, обеспечивает новый принцип построения инновационных устройств. Исследователи уже указывают на перспективу создания магнитной памяти со сверхмалым энергопотреблением — важнейшей технологии эпохи 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, расширяя возможности технологических инноваций в ближайшие годы.

Переопределение границ между измерениями в современной физике

Это открытие подчеркивает глубокую реальность: человеческое понимание природы сформировано жизненным опытом в трех измерениях. Ученые провели четкие границы между чрезвычайно тонким двумерным миром, примером которого является графен, и трехмерным миром, в котором мы живем. Поведение электронов было отнесено к одной из этих двух категорий, и вся современная физика конденсированного состояния построена на этих основах.

Но природа 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 следует ни плоской 2D-модели, ни объемной 3D-модели, а представляет собой нечто действительно новое, бросающее вызов многовековому устоявшемуся пониманию.