Большой взгляд на микромир: квантовый эффект Холла обретает новые масштабы

Группа ученых из Массачусетского технологического института (MIT) впервые визуализировала квантовый эффект Холла в макроскопических масштабах. Эксперимент позволил наблюдать загадочное явление, которое обычно происходит на субатомном уровне, невооруженным глазом.

Квантовый эффект Холла, открытый в 1980 году немецким физиком Клаусом фон Клитцингом, возникает при определённых условиях — когда двумерный электронный газ (например, в тонких слоях полупроводников) помещается в сильное магнитное поле и охлаждается до температур, близких к абсолютному нулю.

При экстремальных температурах и под воздействием мощного магнитного поля электроны начинают двигаться по необычным траекториям. Они как бы «запираются» в крошечных круговых орбитах, которые называются циклотронными орбитами.

Одной из главных особенностей квантового эффекта Холла является то, что движение происходит без потерь энергии. Это означает, что электроны не сталкиваются с препятствиями и дефектами в материале, как это обычно происходит в проводниках. Процесс можно сравнить с идеальной магистралью, где нет пробок и других преград. Кроме того, эффект описывается квантовыми числами, которые показывают, что проводимость материала изменяется дискретно, а не плавно.

Этот эффект нашёл множество применений в физике твёрдого тела и является важным для понимания различных явлений в квантовой физике, таких как топологические изоляторы, где электрический ток также может протекать без сопротивления по краям материала.

Ричард Флетчер, доцент MIT и руководитель исследования, отметил, что обычно такие квантовые состояния существуют лишь фемтосекунды (одну квадриллионную долю секунды) и на расстояниях в доли нанометра. Из-за этого изучать их традиционными методами крайне проблематично.

Чтобы преодолеть проблему, ученые использовали облако ультрахолодных атомов натрия вместо электронов. В итоге получилось растянуть временные и пространственные масштабы явления до миллисекунд и микрон соответственно, что сделало его доступным для непосредственного наблюдения. Затем миллион ультрахолодных атомов натрия захватили в систему лазеров. Чтобы имитировать условия плоского пространства, их вращали как посетителей аттракциона «Гравитрон» в парке развлечений. Можно сказать, благодаря балансу между центростремительной силой ловушки и центробежной силой вращения, атомы заставили «думать», что они находятся в плоскости.

Мартин Цвирлейн, соавтор исследования, сравнил поведение атомов с шариками, быстро вращающимися по краю миски. Они двигались без трения, не замедляясь и не рассеиваясь в остальной части системы, демонстрируя когерентный поток. Ученые определили «край» газообразного материала с помощью лазера, то есть создали своеобразную стену. При столкновении с этой световой преградой атомы начинали двигаться только в одном направлении, имитируя поведение электронов в квантовом масштабе.

Для проверки устойчивости потока к помехам исследователи помещали на пути препятствия в виде точек света. Атомы проходили мимо них без какого-либо измеримого сопротивления, что подтвердило наличие квантового эффекта Холла в макроскопической системе.

Это достижение открывает новые возможности для изучения квантовых явлений. Теперь ученые могут исследовать различные аспекты эффекта, которые ранее были недоступны из-за ограничений в наблюдении. Результаты эксперимента опубликованы в научном журнале Nature Physics. Они могут иметь важное значение для развития квантовых технологий, включая создание новых материалов с уникальными электрическими свойствами и разработку квантовых компьютеров.