|
Явления, связанные с дробными квантовыми эффектами Холла
|
|
|
|
Представьте себе двумерную равнину вместо нашего трехмерного мира, где законы физики перевернуты с ног на голову, а такие частицы, как электроны, вопреки ожиданиям раскрывают новые секреты. Это именно то, что группа исследователей, в том числе профессор физики Университета штата Джорджия Рамеш Г. Мани и недавний аспирант У. Кушан Виджевардена, изучали в лабораториях университета штата Джорджия.
|
|
|
|
Их исследования привели к открытию, недавно опубликованному в журнале Communications Physics. Команда исследовала загадочный мир дробных квантовых эффектов Холла (FQHE), обнаружив новые, неожиданные явления, когда эти системы исследуются по-новому и выходят за рамки их обычных границ.
|
|
|
|
"Исследования дробных квантовых эффектов Холла были основным направлением современной физики конденсированных сред на протяжении десятилетий, поскольку частицы во флатландии могут обладать множественными индивидуальностями и проявлять индивидуальность, зависящую от контекста, по требованию", - сказал Мани. - Наши последние открытия расширяют границы этой области, предлагая новое понимание этих сложных систем".
|
|
|
|
Квантовый эффект Холла является динамичной и ключевой областью физики конденсированных сред с 1980 года, когда Клаус фон Клитцинг сообщил о своем открытии, согласно которому простое электрическое измерение может дать очень точные значения некоторых фундаментальных констант, определяющих поведение нашей Вселенной. Это открытие принесло ему Нобелевскую премию в 1985 году.
|
|
|
В 1998 году была присуждена Нобелевская премия за открытие и понимание дробного квантового эффекта Холла, который позволил предположить, что частицы плоской земли могут иметь дробные заряды. Это путешествие продолжилось открытием графена - материала, который продемонстрировал возможность существования безмассовых электронов во флатландии, что привело к получению еще одной Нобелевской премии в 2010 году.
|
|
|
|
Наконец, теории о новых фазах материи, связанные с квантовым эффектом Холла, были удостоены Нобелевской премии в 2016 году.
|
|
|
|
Физика конденсированных сред привела к открытиям, которые сделали возможной современную электронику, такую как мобильные телефоны, компьютеры, GPS, светодиодное освещение, солнечные батареи и даже самоуправляемые автомобили. Наука о флатландии и флатландские материалы в настоящее время изучаются в области физики конденсированных сред с целью создания более энергоэффективной, гибкой, быстрой и легкой электроники будущего, включая новые датчики, высокоэффективные солнечные батареи, квантовые компьютеры и топологические квантовые компьютеры на основе квантовых элементов.
|
|
|
|
Мани, Виджевардена и их коллеги приступили к работе в серии экспериментов в чрезвычайно холодных условиях, близких к -459°F (-273°C), и в магнитном поле, которое было почти в 100 000 раз сильнее магнитного поля Земли. Они применили дополнительный ток к полупроводниковым устройствам с высокой подвижностью, изготовленным из многослойной структуры арсенида галлия (GaAs) и арсенида алюминия-галлия (AlGaAs), что помогает реализовать электроны на плоской поверхности.
|
|
|
|
Они наблюдали неожиданное расщепление всех состояний FQHE с последующим пересечением разделенных ветвей, что позволило им исследовать новые неравновесные состояния этих квантовых систем и выявить совершенно новые состояния материи.
|
|
|
|
Исследование подчеркивает решающую роль высококачественных кристаллов, произведенных в Швейцарском федеральном технологическом институте Цюриха профессором Вернером Вегшайдером и доктором Кристианом Райхлем, в успехе этого исследования.
|
|
|
|
"Представьте себе традиционное исследование дробных квантовых эффектов Холла как исследование первого этажа здания", - сказал Мани. "Цель нашего исследования — найти и исследовать верхние этажи — эти захватывающие, неизведанные уровни - и выяснить, как они выглядят. Удивительно, но с помощью простой техники мы смогли получить доступ к этим верхним этажам и обнаружить сложные сигнатуры возбужденных состояний".
|
|
|
|
Вийевардена, который в прошлом году защитил докторскую диссертацию по физике в университете штата Джорджия и в настоящее время является преподавателем колледжа Джорджии и государственного университета в Милледжвилле, выразил свое восхищение их работой.
|
|
|
|
"Мы работаем над этими явлениями уже много лет, но это первый раз, когда мы сообщаем об этих экспериментальных результатах по достижению возбужденных состояний дробных квантовых состояний Холла, вызванных применением смещения постоянным током", - сказал Вийевардена. "Результаты поразительны, и нам потребовалось довольно много времени, чтобы найти приемлемое объяснение нашим наблюдениям".
|
|
|
|
Исследование не только бросает вызов существующим теориям, но и предполагает гибридное происхождение наблюдаемых неравновесных возбужденных состояний. Этот инновационный подход и неожиданные результаты подчеркивают потенциал новых открытий в области физики конденсированных сред, вдохновляя на будущие исследования и технологические достижения.
|
|
|
|
Выводы команды выходят далеко за пределы лаборатории, намекая на потенциальные возможности для квантовых вычислений и материаловедения. Исследуя эти неизведанные территории, эти исследователи закладывают основу — и обучают новые поколения студентов — для будущих технологий, которые могут произвести революцию во всем, от обработки данных до повышения энергоэффективности, одновременно стимулируя развитие высокотехнологичной экономики.
|
|
|
|
Мани, Вийевардена и их команда в настоящее время расширяют свои исследования на еще более экстремальные условия, изучая новые методы измерения сложных параметров равнинной местности. По мере продвижения вперед они ожидают раскрытия новых нюансов в этих квантовых системах, что позволит получить ценную информацию в этой области. С каждым экспериментом команда приближается к пониманию сложного поведения игроков, оставаясь открытой для новых открытий на этом пути.
|
|
|
|
Источник
|
