Физики приблизились к прикладному применению экзотического поведения электронов

Обычно электроны в постоянном электрическом поле ускоряются по прямой. Однако находясь в кристалле или материале, состоящем из упорядоченных атомов, они могут демонстрировать осцилляции с терагерцевой частотой — колебания Блоха.

Около 50 лет ученые пытались нащупать пути практического применения блоховских осцилляций. Один из подходов, основанный на полупроводниковых сверхрешётках, даже привёл к современным полупроводниковым лазерам, удостоившись Нобелевской премии. Но это был лишь частичный успех.

«Люди действительно наблюдали сигнатуры блоховских колебаний в этих системах, но не на том уровне, который был бы полезен для чего-либо практического», — говорит Леонид Левитов, профессор физики Массачусетского технологического института (MIT).

Недавно, Левитов и его коллеги-физики из MIT и Технологического института Карлсруэ (Германия) сообщили о новом подходе к возбуждению блоховских осцилляций в сверхрешётках муарового графена.

Впервые созданный в MIT, муаровый графен состоит из двух атомарно тонких слоев графена, ориентированных относительно друг друга под небольшим углом.

«Согласно теории, этот материал должен быть идеальным кандидатом для наблюдения блоховских колебаний», — говорит Левитов. И в статье, опубликованной в свежем выпуске Physical Review Letters, его группа показала, «что по всем параметрам муаровый графен не уступает полупроводниковым сверхрешёткам или даже превосходит их ... являя наглядный пример когерентной динамики в квантовых системах многих тел».

Электроны, участвующие в блоховских колебаниях, делают это разрозненно на одной и той же терагерцовой частоте, но учёные MIT считают, что в муар-графене их вполне можно заставить колебаться синхронно с помощью стандартных методов.

«Если это удастся сделать, то мы перейдём от одноэлектронного явления к макроскопическим колебаниям, которые будут легко обнаруживаться и приносить конкретную пользу, потому что они станут источником макроскопического тока», — говорит Левитов.

Муаровый графен отвечает ещё одному важному критерию для практического применения блоховских осцилляций: сверхрёшетки графена намного проще изготовить, чем сложные структуры из более ранних работ.

Эти новые данные о блоховских осцилляциях, несомненно, послужат стимулом для многочисленных экспериментальных исследований. Сам Левитов с энтузиазмом ожидает продолжения работы. «Самое лучшее начнётся, когда мы увидим экспериментальные результаты, подтверждающие нашу идею», — заявил он.