Физики обнаружили квантовую «пуповину», связывающую металлы и изоляторы.

Согласно квантовой теории, электроны в атомах могут находиться только на строго определённых уровнях энергии, между которыми расположены запрещённые зоны. В твердых телах, состоящих из множества атомов, ситуация усложняется: электроны формируют как разрешенные, так и запрещенные энергетические зоны.

В металлах, где электроны могут свободно перемещаться, разрешенные и запрещенные зоны пересекаются. В изоляторах, наоборот, широкие запрещенные зоны препятствуют движению электронов, и материал не способен проводить электричество.

Значимыми являются как энергия, так и импульс (или скорость) электронов: электрон может принимать различные значения импульса. Это означает, что его энергия также изменяется, но только в определённом диапазоне. Для перехода из одного разрешенного диапазона энергии в другой электрону необходима дополнительная энергия из внешних источников.

Распределение этих энергетических зон зависит от материала и силы взаимодействия между электронами. Эту силу можно контролировать, изменяя состав материала через легирование — добавление примесей атомов другого типа.

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

Тем не менее, в процессе разделения эти две зоны остаются соединенными своеобразной квантовой «пуповиной». В большинстве случаев электрон должен выбрать одну из зон, однако существует одна особая точка величины импульса электрона, где возможно широкое множество значений энергии, связывающее обе зоны.

Эффект «квантовой пуповины» наблюдали и 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).