Группа исследователей Ливерпульского университета заявила, что нашла способ «упаковать» ключевое электронное поведение графена — сверхбыстрое двумерное движение электронов — внутрь куда более прочного трёхмерного кристалла. Речь о соединении HfSn₂ (дистаннид гафния): несмотря на полноценную 3D-решётку, носители заряда в нём ведут себя так, будто бегут по двумерной плоскости. Авторы считают, что это снимает одну из главных практических проблем графена — его «атомную тонкость» — и открывает путь к более устойчивым материалам для энергоэффективной электроники и спинтроники. Работа опубликована в журнале Matter.
Сам графен за два десятилетия успел стать символом «идеального проводника в один атом толщиной» — в 2010 году за эксперименты с ним присудили Нобелевскую премию по физике. Но та же двумерность, которая дарит графену выдающиеся электронные свойства, осложняет его рабочее применение: тонкие плёнки трудно масштабировать без дефектов, а в устройствах они зависят от подложек и интерфейсов. В Ливерпуле предлагают другой подход: не делать материал плоским, а заставить электроны двигаться «как в плоскости» внутри объёмного кристалла.
Ключ к эффекту — в том, как устроен HfSn₂. По описанию исследователей, в нём есть «соты» — слои с характерной гексагональной (медовой) геометрией, но уложенные в трёхмерную структуру особым хиральным способом — с закруткой, которую в пресс-релизе сравнивают с двойной спиралью ДНК.
Такая укладка, по словам авторов, сохраняет редкое электронное поведение, обычно присущее именно 2D-материалам.
Вторая важная деталь — так называемые точки Вейля в электронной структуре. В популярном изложении это «особые узлы» в спектре, которые могут резко повышать подвижность носителей — то есть облегчать движение электронов при меньших потерях. Как следствие, в HfSn₂ электроны демонстрируют квазидвумерный транспорт, хотя химические связи формируют жёсткий 3D-каркас. Авторы формулируют это как «развязку» геометрии и электроники: структура — объёмная и устойчивая, а поведение электронов — будто в тончайшем слое.
За эффектом стоит не только теория, но и «тяжёлая» экспериментальная часть. Из сопроводительных материалов следует, что кристаллы HfSn₂ выращивали методом металлического флюса, используя олово как самофлюс и добавляя хром. При более медленном охлаждении (1°C/час) и отделении флюса при 700°C удавалось получать вытянутые кристаллы порядка 4 мм длиной. Электротранспорт измеряли на установке Quantum Design PPMS-DynaCool, а магнитный момент и «крутящий момент» в поле — вплоть до 35 Тл, в том числе на инфраструктуре High Field Magnet Laboratory в Неймегене.
Интерес к таким результатам подогревает и энергетический контекст. По оценкам Международного энергетического агентства, потребление электроэнергии дата-центрами в мире к 2030 году может примерно удвоиться — до порядка 945 ТВт·ч, а темпы роста потребления в 2024–2030 годах в базовом сценарии составляют около 15% в год. На этом фоне любая технология, которая приближает низкозатратные вычисления — будь то новые схемы логики или спинтроника, работающая с магнитным состоянием электронов, — становится частью большой гонки за энергоэффективностью.
Практическая интрига теперь в том, удастся ли превратить демонстрацию «графенового поведения» в HfSn₂ в инженерный рецепт: научиться воспроизводимо получать такие кристаллы (или тонкие слои/плёнки), управлять дефектами и встроить материал в реальную технологическую цепочку. Но уже сам факт, что двумерная электроника может «жить» внутри трёхмерной прочности, расширяет поле поиска: возможно, гонка за посткремниевой электроникой будет опираться не на хрупкие монослои, а на объёмные кристаллы с правильно закрученными «сотами» на атомном уровне.
