Физики впервые смогли остановить электрический ток в двумерном слоистом материале за счет «сцепления» электронов и дырок в соседних слоях, получив таким образом первый двумерный топологический экситонный изолятор. Такие устройства могут быть использованы для защиты состояний кубитов в квантовых компьютерах от декогеренции, пишут ученые в статье, опубликованной в Nature Communications.
В экситонных изоляторах подавление электрического тока происходит из-за спонтанного образования экситонов — связанных электрон-дырочных пар (подробнее об экситонах и других квазичастицах вы можете прочитать в нашем материале). Теоретически возможность существования таких материалов была предсказана еще в начале 60-х годов XX века. Состояние экситонного изолятора обычно реализуется в полуметаллах, в которых зона проводимости и валентная зона соприкасаются, или очень незначительно перекрываются (одним из примеров полуметаллов является, например, графен) из-за кулоновских взаимодействий между дыркой и электроном. Однако, несмотря на то, что экситонные изоляторы хорошо описаны теоретически, в двумерных материалах экспериментально такие фазы не изучались.
Группа физиков из США и Китая под руководством Жуй-Жуй Ду (Rui-Rui Du) из Университета Райса впервые изучила появление состояния топологического экситонного изолятора в двумерных материалах. Для этого они исследовали двухслойную систему, состоящую из арсенида индия и антимонида галлия (InAs/GaSb), полученную с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. В одном из этих слоев носителями заряда являются электроны, а в другом — дырки. Толщина каждого из слоев не превышает 12,5 нанометров, поэтому для носителей заряда эти слои служат квантовыми ямами, и их распространение ограничено двумя измерениями.
Формирование этой фазы происходит при понижении температуры ниже критического значения (примерно
