В материале толщиной в один атом нашли новый тип квантовых состояний


Представьте материал толщиной всего в один атом, который способен заставить электроны двигаться почти со скоростью света и открывает путь к компьютерам будущего. Звучит как научная фантастика? Нет — это реальный борофен, и команда учёных предсказала новые формы, которые могут изменить наше представление о квантовой электронике.

Исследователи под руководством Чаоюй Хэ разработали вычислительный метод — трансферабельную модель сильной связи в сочетании с алгоритмами случайной генерации на основе теории графов. Этот подход позволил автоматически перебрать и проанализировать 522 потенциальные структуры борофена — двумерной аллотропной формы бора толщиной в один атом.

В результате высокопроизводительного скрининга исследователи выявили восемь ранее неизвестных полуметаллических структур борофена. Некоторые из них демонстрируют квадратичные узлы Дирака — топологические состояния, которые ранее для борофена не предсказывались.

Что такое узлы Дирака

Все отобранные структуры обладают топологическими состояниями, известными как узлы Дирака (Dirac nodes). Это особые точки в энергетической структуре материала, где электронные возбуждения подчиняются уравнению Дирака - начинают вести себя как квазичастицы с необычными квантовыми свойствами и очень высокой подвижностью.

Среди найденных форм обнаружены:

узлы Дирака I и III типа

дираковские узловые линии

квадратичные узловые точки

Последние — наиболее редкий тип. В отличие от обычных линейных узлов Дирака, где энергия меняется пропорционально импульсу, в квадратичных точках зависимость квадратичная. Ранее такие состояния предсказывались лишь для нескольких экзотических материалов и никогда — для борофена. 

Стабильность и перспективы синтеза

Расчёты первых принципов показали динамическую и термическую стабильность предсказанных структур. Анализ фононных спектров не выявил неустойчивых мод — это признак того, что данные формы борофена потенциально могут быть синтезированы в лаборатории.

Ранее для другой формы борофена — 8-Pmmn — уже был показан потенциал для наноэлектроники и квантовых устройств. Это позволяет предполагать, что новые структуры также могут оказаться интересными для будущих технологий.

Главная задача, которая стоит перед учёными после этого исследования, — экспериментальный синтез предсказанных форм борофена с заданной атомной структурой. Работа подтверждает универсальность борофена как платформы для изучения новых топологических состояний, но ни одна из предсказанных структур пока не получена в лаборатории и остается тайным ключом к электронике завтрашнего дня.