ПРИЗНАКИ ЗАРЯЖЕННЫХ ВИХРЕЙ В ЖИДКОСТИ ИЗ НЕЙТРАЛЬНЫХ ПАР

В сверхтекучей жидкости частицы движутся вместе как единая квантовая волна; сверхпроводник второго рода проводит ток без сопротивления. Приведите первую во вращение или поместите второй в магнитное поле — и у обоих проявится определяющая черта: решётка квантованных вихрей, крошечных водоворотов, каждый из которых несёт фиксированную, неделимую порцию закрученности. В жидкости из экситонов такая решётка оставалась недосягаемой: экситоны не несут электрического заряда.

Пары, которые ничего не несут

Экситон — это электрон, связанный с дыркой, пустым местом, оставленным недостающим электроном. Созданные светом, экситоны живут лишь недолго, а будучи нейтральными, плохо поддаются электрическому зондированию. Если держать партнёров порознь — электроны в одном слое, дырки в другом, — пары живут гораздо дольше, и к каждому слою можно подвести собственные контакты.

При достаточно сильном охлаждении такие пары конденсируются и разделяют единую квантовую фазу — общий ритм — по всей жидкости, во многом как электронные пары сверхпроводника. Электрические признаки этого существовали, но, как пишут авторы, однозначных свидетельств такой глобальной фазовой когерентности получить не удавалось.

Куда денется лишний заряд

Что должна делать такая жидкость: в сильном магнитном поле добавьте несколько лишних электронов, и их заряд должен расщепиться на доли, которые осядут в сердцевинах вихрей и антивихрей — водоворотов общей фазы, закрученных в противоположные стороны. Обычно они аннигилируют. Здесь же их заряженные сердцевины отталкиваются, и в 2025 году двое из авторов, Бо Цзоу (Bo Zou) и Аллан Макдональд (Allan MacDonald) из Техасского университета в Остине, предсказали, что они выстроятся в соты: вихри на одной группе узлов, с зарядом в верхнем слое, антивихри — на другой, в нижнем слое.

В отличие от вихрей сверхпроводника, которые несут магнитный поток, эти несут электрический заряд. Каждая ячейка сот содержит ровно один элементарный заряд — заряд одного электрона. Поэтому чем больше добавлено заряда, тем мельче ячейки: их площадь уменьшается обратно пропорционально лишнему заряду.

Два слоя углерода и игла

Райан Ли (Ryan Lee), Джунгу Ли (Jungwoo Lee), Вилиам Ваньо (Viliam Vaňo) и коллеги из группы Али Яздани (Ali Yazdani) в Принстонском университете сложили два слоя графена толщиной в один атом на расстоянии 3,2 нанометра друг от друга — около трёх миллионных долей миллиметра — с барьером из гексагонального нитрида бора из Национального института материаловедения Японии, в поле 9 тесла (тесла — единица индукции магнитного поля). В таких условиях энергии электронов собираются в ступени, называемые уровнями Ландау. Два напряжения задают их заполнение: одно, от затвора под слоями, регулирует полный заряд; другое перемещает заряд между слоями. Когда слои вместе заполняют целое число уровней, причём каждый лишь частично, электрон в одном слое объединяется в пару с дыркой в другом, образуя конденсат.

Команда получила его изображения с помощью сканирующего туннельного микроскопа при 0,2 градуса выше абсолютного нуля: электроны перескакивают между острым зондом и верхним слоем, а ток зависит от того, что находится под ним, включая заряд в сердцевинах вихрей.

Решётка, сжимающаяся с ростом заряда

При добавлении или удалении нескольких электронов карты тока бездефектных участков размером около 400 нанометров показывали регулярные яркие пятна. Преобразование Фурье — вычисление, превращающее повторяющийся узор в резкие пики, — дало шесть пиков: решётку с симметрией шестого порядка.

По мере добавления электронов решётка уплотнялась, её период уменьшался примерно со 135 нанометров вначале до примерно 60 — близко к предсказанной кривой. Из разреженной она становилась хорошо упорядоченной, а затем плавилась при дальнейшем добавлении. Пятна образуют треугольный узор, а не соты: зонд чувствует верхний слой, где вихри несут больше заряда, чем антивихри внизу.

Проверка, которую не проходит кристалл электронов

Отталкивающиеся друг от друга электроны могут и сами застыть в решётку — вигнеровский кристалл. У такого кристалла в верхнем слое период определялся бы только зарядом этого слоя. Вблизи конденсата этот заряд почти не меняется, потому что нижний слой экранирует верхний от затвора; а измеренный период всё равно менялся. Ниже лишнего заполнения 0,17 уровня предсказание для вигнеровского кристалла явно расходится с данными.

Решающая проверка: период вихревой решётки должен зависеть только от полного лишнего заряда, а не от того, как его делят слои, потому что с общей фазой связан только полный заряд. Команда фиксировала полный заряд и перемещала заряд между слоями, меняя заполнение каждого слоя до 30%. Вигнеровский кристалл в верхнем слое сместил бы свой период примерно на 20 нанометров. Измеренный период оставался около 60. Ослабевал лишь контраст изображения — по мере того как заряд переходил от вихрей в верхнем слое к антивихрям в нижнем, не сдвигая их.

Вблизи лишнего заполнения 0,17 нижний слой перестаёт принимать заряд, и все лишние электроны оказываются в верхнем. Там период сходится к периоду обычного вигнеровского кристалла в верхнем слое: это и есть переход, который предвидела теория.

Дырки рисуют тот же узор, только перевёрнутый

Удаление электронов вместо добавления давало решётку того же рода, даже лучше упорядоченную — вероятно, потому что в этой области меньше беспорядка. Её контраст обращён, как и ожидается, если заряд в сердцевинах меняет знак, а её период снова следует только полному лишнему заряду.

Что может сказать снимок в 400 нанометров

В сверхпроводнике вихревая решётка, занимающая весь снимок, показывает, что жидкость сохраняет фазу по крайней мере на этом расстоянии. Здесь решётка, заполняющая поле зрения, задаёт нижнюю границу около 400 нанометров для дальности фазовой когерентности конденсата. Кроме того, заполнение каждого слоя вычисляется по двум напряжениям с помощью электростатической модели, а не измеряется напрямую.

Команда представляет свои снимки как свидетельство — именно это слово стоит в названии статьи — предсказанной решётки и фазовой когерентности в экситонной сверхтекучей жидкости. Тот же микроскоп теперь мог бы следить за тем, как эти водовороты движутся, цепляются за дефекты и плавятся, в сверхтекучей жидкости, состоящей из одних электронов.