Физики научились измерять заряд меньше, чем у одного электрона
В Федеральной политехнической школе Лозанны (EPFL) разработан и испытан сверхчувствительный датчик, который может измерять дробные электрические заряды. Невозможные с точки зрения классической физики результаты экспериментов приведены в журнале NatureсPhysics.
На фундаментальные законы мироздания никто, конечно, не покушается — электрон был и остается неделимым. Но в экстремальных условиях огромные скопления электронов ведут себя согласованно, порождая квазичастицы. Заряд этих коллективных возбуждений вполне может быть и меньше, чем у одного электрона.
До сих пор измерять эти дробные заряды было крайне сложно. В лаборатории квантовой физики, топологии и корреляций EPFL разработали датчик из двухслойного графена между слоями нитрида бора. Получился крошечный энергетический «холмик» — антидот («антиточка» — слово из физики полупроводников).
Если предельно упрощать, в сильном магнитном поле при температуре близкой к абсолютному нулю электроны огибают этот антидот, а квазичастицы туннелируют сквозь него. Остается зафиксировать возникающие при этом осцилляции — и вычислить по промежуткам между ними дробный заряд.
Измерения выявили квазичастицы с зарядом, равным трети электронного, в нескольких состояниях квантового эффекта Холла, включая уровни 4/3, 5/3 и 7/3. Измерены также заряды величиной в две трети (в состоянии 2/3) и три пятых (в состоянии 3/5) от заряда электрона.
В состоянии 8/3 прибор зарегистрировал признаки заряда как в одну треть, так и в две трети от электронного. Выдвинуты несколько возможных объяснений этого необычного поведения, включая различия в структуре краевых состояний и механизмах туннелирования.
Квазичастицы с дробным зарядом — отличительная черта топологических квантовых материалов — необычного класса веществ, свойства которых определяются не индивидуальными особенностями атомов, а коллективным поведением множества частиц. Их изучение помогает проверять фундаментальные принципы квантовой механики и глубже понимать экзотические состояния материи.
Некоторые из этих состояний также рассматриваются как потенциальные «кирпичики» для будущих квантовых технологий. «Эта же геометрия может послужить строительным блоком для создания топологического квантового компьютера», — пояснил физик Марио Ди Лука, ведущий автор исследования.
