במעבדה של אוניברסיטת קורנל נתקלו המדענים במקרה בחומר שמתנהג כאילו שני עולמות מנוגדים של אלקטרונים מתקיימים בו בעת ובעונה אחת. מדובר בגרפן רומבוהדרלי בעל שישה שכבות — שישה יריעות פחמן המונחות זו על זו בהזזה בתבנית חוזרת. במקום לחקור שכבות מפותלות, קיבלו החוקרים ערימה ישרה, והיא דווקא חשפה פאזות קוונטיות בלתי צפויות.
גרפן ידוע זה מכבר בחוזקו ובמוליכותו, אך כאשר השכבות מונחות בדרך מסוימת, האלקטרונים מתחילים לפעול זה על זה בעוצמה רבה הרבה יותר. בגרסה בעלת ששת השכבות, בצפיפות מסוימת של נושאי מטען ובשדה חשמלי חיצוני, נוצר משטר שבו אלקטרונים וחורים מתקיימים יחד ומתואמים זה עם זה בעוצמה. זה מזכיר קהל אנשים שבו כל אחד משפיע על תנועת שכנו, ולא סתם הולך לדרכו.
המדידות הראו היעלמות של התנגדות חשמלית — סימן למצב על-מוליכות — ואפקט הול אנומלי המעיד על מגנטיות אורביטלית. שני מצבי על-מוליכות נוצרו דווקא במקום שבו אלקטרונים וחורים מצטלבים. ככל הנראה, יחסי הגומלין ביניהם ממלאים תפקיד מפתח ביצירת הפאזות הללו, דבר שלא נצפה בגרפן בעל חמש שכבות.
ההתקן הונח בין שכבות של ניטריד בורון ונשלט באמצעות שדה של שערים. בשינוי הטמפרטורה, השדה המגנטי וריכוז נושאי המטען, בנתה הקבוצה דיאגרמת פאזות מפורטת. בה נראים בבירור מבודדים הנובעים מיחסי גומלין, אזורי על-מוליכות ושני סוגים של מגנטיות אורביטלית. התוצאות פורסמו ב-Nature Physics.
הגילוי חשוב לא רק לפיזיקה בסיסית. ההבנה כיצד יחסי הגומלין בין אלקטרונים לחורים מולידים על-מוליכות ללא מנגנונים מסורתיים עשויה לקרב את יצירתם של חומרים הפועלים בטמפרטורות גבוהות יותר. חומרים כאלה יועילו במחשבים קוונטיים, בקווי העברה חסכוניים באנרגיה ובחיישנים חדשים.
כעת מעמיקים החוקרים בטבעה של המגנטיות האורביטלית. הם בוחנים את ההשערה שחלק מנושאי המטען יוצרים מבנה דמוי גביש, והשאר נשארים במצב דמוי נוזל. שאלות אלה חורגות מגבולות העבודה הנוכחית, אך כבר כעת ברור: גרפן בעל שישה שכבות הפך לזירה חדשה לחקר תיאומים קוונטיים.
הגילוי המקרי מזכיר שוב שבעולם החומרים הדו-ממדיים די לשנות את מספר השכבות או את סידורן ההדדי — ותכונות מוכרות הופכות למשהו חדש לגמרי.
