Исследователям удалось найти объяснение эффекту «квантовой пуповины», который проявляется в том, что одному импульсу электрона могут соотноситься различные уровни энергии. Это явление углубляет и расширяет современные представления о физике твердого тела и зонной теории.
Квантовая теория утверждает, что электроны в атомах могут находиться только на строго фиксированных уровнях энергии, а области между ними представляют собой запрещенные зоны. В твердых веществах, которые состоят из большого количества атомов, картина усложняется: электроны образуют разрешенные и запрещенные энергетические зоны.
В металлах, где электроны могут свободно перемещаться, в некоторых материалах разрешенные и запрещенные зоны частично совпадают. Однако в изоляторах обширные запрещенные зоны препятствуют перемещению электронов, что делает материал непроводником.
Энергия и импульс (или скорость) электрона имеют одинаковое значение: электрон может обладать различными значениями импульса. В связи с этим, его энергия также изменяется, однако в пределах заданного диапазона. Для перехода между различными разрешенными диапазонами энергии, электрону требуется дополнительная энергия, получаемая извне.
Определённый способ распределения энергетических зон обусловлен свойствами материала и интенсивностью взаимодействия между электронами. Управление этой силой возможно посредством изменения состава материала с помощью легирования — добавления атомов другого типа.
Исследователи из Венского технического университета (TU Wien) обнаружили универсальное явление, связанное с переходами между квантовыми состояниями в твердых телах. Исследования показали, что при изменении силы взаимодействия между электронами одна разрешенная зона энергии может разделиться на две.
Несмотря на разделение этих областей, они остаются взаимосвязанными посредством своеобразной квантовой связи. Обычно электрон выбирает одну из зон, однако есть определенная величина импульса электрона, при которой открывается широкий диапазон энергетических значений, обеспечивающих связь между обеими зонами.
Ранее было зафиксировано явление, известное как «квантовая пуповина», однако его истоки оставались неизвестными. Сейчас ученым удалось доказать, ученые установили, что это явление обусловлено закономерностями и позволяет определить условия его возникновения. Открытие физиков вводит новый тип состояний в твердых телах, расположенных между проводниками и изоляторами. Научная работа опубликована в журнале Nature Communications.
«Согласно нашим результатам, формирование структуры, напоминающей «пуповину», происходит естественным образом в процессе разделения энергетических зон. Это позволяет по-новому взглянуть на свойства материалов, которые могут найти применение в разработке новых технологий», — подчеркнул профессор физики Карстен Хельд ( Karsten Held).