Фізики виявили квантову «пуповину» між металами та ізоляторами.

Згідно з квантовою теорією, електрони в атомах можуть займати лише строго визначені рівні енергії, між якими існують заборонені зони. У твердих тілах, що складаються з безлічі атомів, ситуація ускладнюється: електрони формують дозволені та заборонені енергетичні зони.

У металах, де електрони можуть вільно рухатися, дозволені та заборонені зони перекривають одна одну. В ізоляторах, навпаки, широкі заборонені зони блокують рух електронів, і матеріал не може проводити електрику.

Важливі як енергія, так і імпульс (або швидкість) електронів: електрон може приймати різні значення імпульсу. Це означає, що його енергія також змінюється, але лише в певному діапазоні. Щоб перейти з одного дозволеного діапазону енергії в інший, електрону потрібна додаткова енергія з зовнішніх джерел.

Як саме розподіляються ці енергетичні зони, залежить від матеріалу та сили взаємодії між електронами. Цю силу можна контролювати, змінюючи склад матеріалу легуванням — введенням домішок атомів іншого типу.

Дослідники з Віденського технічного університету (TU Wien) виявили універсальне явище, пов'язане з переходами між квантовими станами в твердих тілах. З'ясувалося, що при зміні сили взаємодії між електронами одна дозволена зона енергії може розділитися на дві.

Однак у процесі розділення ці дві зони залишаються пов'язаними своєрідною квантовою «пуповиною». У більшості випадків електрон повинен вибрати одну з зон, але існує одна особлива точка величини імпульсу електрона, де можливий широкий діапазон значень енергії, що з'єднує обидві зони.

Ефект «квантової пуповини» спостерігався раніше, але його причини залишалися незрозумілими. Тепер вченим вдалося довести, що це явище закономірне, і можна визначити умови, за яких пуповина виникає. Відкриття фізиків вводить нову категорію станів у твердих тілах, що знаходяться між провідниками та ізоляторами. Наукова робота опублікована в журналі Nature Communications.

«Наші результати показали, що „пуповина“ повинна виникати природним чином при розділенні енергетичних зон. Це відкриває новий погляд на властивості матеріалів, які можуть бути корисні для створення нових технологій», — зазначив професор фізики Карстен Хельд (Karsten Held).