Изследване на квантовите ефекти на Хол води до откритието на нови състояния на материята

Ваня Милева Последна промяна на 19 август 2024 в 00:00 7461 0

Зелени електронни вълни с кръстосани диагонални линии

Кредит U K Wijewardena et al. Communications Physics
Разделяне на равновесния дробен квантов ефект на Хол.

Ново изследване на двуизмерна "равнина", където правилата на физиката са много различни, довежда до откриването на неочаквани и потенциално полезни явления.

В редки случаи частици като електрони могат да имат част от обичайния си електрически заряд – ефект, известен като фракционен (дробен) квантов ефект на Хол.

Новото изследване, публикувано в Communications Physics, може да "разшири границите" на изследванията на фракционния квантов ефект на Хол според съавтора Рамеш Мани (Ramesh G. Mani).

Ефект на Хол

Класическият ефект на Хол се състои в появата в проводник с ток I, поставен в магнитно поле B, на електрическо поле E в посока, перпендикулярна на I и B.

За разлика от класическия, квантовият ефект на Хол се наблюдава в проводници, чиято дебелина d е изключително малка и сравнима с междуатомното разстояние. В такива проводници, наречени двумерни електронни системи, постъпателното движение на електрона по оста z е невъзможно и следователно движението на електрона е двумерно в равнината (x, y). Типичен пример за двумерна електронна система, в която се наблюдава квантовият ефект на Хол, е структура метал–изолатор–полупроводник, образувана от слоеве метал и полупроводник, разделени от слой диелектрик.

Дробният квантов ефект на Хол (FQHE) е физичен феномен, при който проводимостта на Хол на двумерни (2D) електрони показва прецизно квантувани плата при дробни стойности на e²/h, където e е зарядът на електрона, а h е константата на Планк. Това е свойство на колективно състояние, в което електроните свързват линиите на магнитния поток, за да направят нови квазичастици, а възбужданията имат дробен елементарен заряд и вероятно също дробна статистика.

Дробно заредените квазичастици (1\3, 2\5, 3\7...) не са нито бозони, нито фермиони. Определени дробни квантови фази на Хол изглежда имат подходящи свойства за изграждане на топологичен квантов компютър.

Нобеловата награда за физика за 1998 г. бе присъдена на Робърт Лафлин, Хорст Стьормер и Даниел Цуи "за откритието им на нова форма на квантова течност с дробно заредени възбуждания". FQHE е основна изследователска тема във физиката на кондензираната материя.

"Мислете за традиционното изследване на фракционните квантови ефекти на Хол като за изследване на приземния етаж на сграда", обяснява Мани, професор по физика в Държавния университет на Джорджия (GSU) в САЩ. "Нашето проучване цели да търсим и откриваме горните етажи – тези вълнуващи, неизследвани нива – и да разберем как изглеждат. Изненадващо, с проста техника успяхме да получим достъп до тези горни етажи и да разкрием сложни подписи на възбудените състояния.

Мани оприличава поведението на частиците в равнината на притежаването на "множество личности и може да покаже зависима от контекста личност".

Полупроводниково устройство, направено от редуващи се слоеве галиев арсенид (GaAs) и алуминиев галиев арсенид (AlGaAs) с приложен ток, помага за създаването на електрони в една равнина (да речем, Флатландия).

Екипът изследва плоските електрони при условия, близки до абсолютната нула (-273,15°C) и е приложено магнитно поле, почти 100 000 пъти по-силно от това на Земята.

За първи път изследователите съобщават за дробни състояния на квантовия ефект на Хол, които се разделят неочаквано, за да създадат нови състояния, разкривайки изцяло нови състояния на материята.

Те казват, че констатациите имат значение за бъдещи изследвания на фракционните квантови феномени на Хол и технологичното развитие. Работата може да се използва в бъдещи технологии, които трансформират обработката на данни и енергийната ефективност.

Обикновено фракционният квантов ефект на Хол изисква изключително силно магнитно поле, но наскоро бе наблюдаван в графен без външно магнитно поле.

Справка: “Non-equilibrium excited-state fractionally quantized Hall effects observed via current bias spectroscopy” by U. Kushan Wijewardena, Ramesh G. Mani, Annika Kriisa, Christian Reichl and Werner Wegscheider, 6 August 2024, Communications Physics. DOI: 10.1038/s42005-024-01759-7

Източник:

Physicists work out how to find the “multiple personalities” of electrons, Cosmos magazine

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !