Жизнь квантовых цепочек: как обычное удлинение структуры спровоцировало внезапный коллапс барьера

Представьте нить из атомов углерода, тоньше человеческого волоса в миллионы раз. Если эта нить короткая — в несколько атомов, — материал ведет себя как полупроводник: электрический ток течет только при наличии определенных условий, а свет испускается с характерной, высокой энергией. Но что происходит, когда эту нить вытягивают? Ученые из Центра Абрикосова МФТИ и их коллеги выявили порог, при котором кристалл карбина (конкретно полиина) математически теряет свой полупроводниковый характер и становится полуметаллом.
Противостояние двух сил

Чтобы понять, почему это важно, нужно представить два конкурирующих процесса, действующих на электроны внутри углеродной цепочки. С одной стороны, конечная длина нити "раздвигает" электронные уровни, сохраняя так называемую запрещенную зону — энергетический провал, который электроны должны преодолеть для перемещения. С другой стороны, соседние цепочки в кристалле тянут друг к другу, и связи между ними "сжимают" края этих зон, стремясь их перекрыть.
В модели упаковки AA, где соседние цепочки выстроены друг напротив друга без продольного сдвига, эти силы достигают баланса при определенной длине. Расчеты показали, что примерно при 42 атомах в цепочке энергетический зазор закрывается. После этого валентная зона и зона проводимости начинают перекрываться. Физически это означает, что материал переходит в состояние полуметалла, где электроны могут свободно перемещаться, не needing преодолеть энергетический барьер.