Традиционный японский орнамент вдохновил физиков на создание сверхпроводящего кристалла

Американские ученые создали металлический кристалл с уникальными электрическими и квантовыми свойствами. Структура кристалла повторяет классический японский орнамент для плетения корзин – кагомэ. Описание новой структуры опубликовано в журнале Nature.

Существует всего 11 способов равномерно заполнить плоскость мозаикой из правильных многоугольников. Один из них – тришестиугольная мозаика – традиционно применяется в японской технике плетения корзин, кагомэ. Похожую структуру (чередование правильных треугольников и шестиугольников) обнаружили в строении некоторых минералов, и термин «решетка кагомэ» вошел в физику. Ученые из Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли повторили решетку кагомэ на молекулярном уровне и создали металл с уникальными квантовыми свойствами.

Исследователи «переплели» слои атомов железа и олова между собой подобно прутьям бамбука в японских корзинах. Пропуская электрический ток через такую структуру, ученые обнаружили, что треугольные части решетки странным образом влияли на протекающие электроны. Вместо того, чтобы проходить через решетку напрямую, электроны отклонялись или даже меняли направление на противоположное. Полученный квантовый эффект ученые сравнивают с эффектом Холла, при котором электроны в двумерной проводящей пластине начинают двигаться по цикличным траекториям вдоль проводника без потери энергии.

Электроны, проходя через такой кристалл, испытывают, по предположению авторов, чисто квантово-механическое воздействие самой кристаллической решетки. Наличие атомов железа с сильным магнитным полем определяет свойство направленности решетки (зависимость электромагнитных свойств от направления), а более тяжелые атомы олова создают вокруг себя сильное электрического поле. В результате электрический ток взаимодействует с полем атомов олова не как с электрическим, а как с магнитным и отклоняется от первоначального направления без изменения энергии.

Этот эффект, по мнению ученых, поможет создавать новые сверхпрооводящие материалы. В будущих исследованиях авторы надеются наладить создание других структур с использованием решетки кагомэ. Такие материалы можно будет использовать в электронных устройствах с нулевыми энергетическими потерями и в качестве составляющих элементов квантового компьютера.