В 1981 году немецкий физик Клаус фон Клитцинг открыл квантовый эффект Холла, возникающий в очень тонком проводнике толщиной в один-два атома, при низких температурах находящемся в сильном магнитном поле. В таком проводнике возникнет разность потенциалов, перпендикулярная течению тока. С увеличением магнитного поля это “холловское” сопротивление изменяется не плавно, а скачками. В 1985 году это открытие удостоилось Нобелевской премии.
Далее физики, пытаясь объяснить квантовый эффект Холла, обнаружили, что его природа — топологическая. За эти работы в 2016 году Нобелевскую премию по физике получил, в частности, англичанин Дэвид Таулесс. Этот эффект проявляется, потому что у твердого тела есть поверхность, край. Именно там идет движение электронов.
В 2005 году американские физики-теоретики Чарльз Кейн и Юджин Мел предсказали, что должны существовать топологические изоляторы, в которых квантовый эффект Холла наблюдается при обычных условиях: без сильного внешнего магнитного поля и при комнатной температуре.
Роль магнитного поля в них играет спин-орбитальное взаимодействие, обеспечивающее топологическую защиту поверхностных электронов. Действует это следующим образом. Когда заряженные частицы встречают дефект, то в обычном материале могут от него отскочить. В топологическом же изоляторе спин всегда связан с направлением движения и должен сохраняться, поэтому электрон проигнорирует дефект и продолжит путь, не меняя направления.
Спустя два года после предсказания такие химические соединения действительно открыли. За что Кейн и Мел удостоились на днях премии Breakthrough Prize, учрежденной на средства Юрия Мильнера, Сергея Брина и Марка Цукерберга.
Конечно, теоретики фантазируют, что это явление якобы можно использовать в измышленных ими “квантовых компьютерах”… Но эти фантазии озвучиваются уж много лет, а результата нет. Реально интересно в этих исследованиях то, что у электрона спин расположен перпендикулярно направлению его движения. Это указывает на структуру электрона и способ его взаимодействия с фотонами.