Naukowcy odkryli nowe zjawiska w badaniu ułamkowych kwantowych efektów Halla.
Ich eksperymenty przeprowadzone w ekstremalnych warunkach ujawniły nieoczekiwane stany materii, podważając istniejące teorie i przygotowując grunt pod postęp w badaniach. obliczenia kwantowe i materiałoznawstwo.
Odkrywanie tajemniczego świata fizyki kwantowej
Wyobraź sobie dwuwymiarową równinę zamiast naszego trójwymiarowego świata, w którym zasady fizyki są wywrócone do góry nogami, a cząstki takie jak elektrony wymykają się oczekiwaniom i odkrywają nowe tajemnice. Właśnie to stwierdził zespół badaczy, w tym profesor fizyki z Georgia State University Ramesh G. Mani i niedawny doktorant. absolwent U. Kushan Wijewardena, studiują w laboratoriach stanu Georgia.
Ich badania zaowocowały odkryciem opublikowanym niedawno w czasopiśmie Fizyka komunikacji. Zespół zagłębił się w zagadkowy świat ułamkowych kwantowych efektów Halla (FQHE), odkrywając nowe, nieoczekiwane zjawiska, gdy systemy te są badane na nowe sposoby i wypychane poza ich zwykłe granice.
Przełomy w ułamkowych kwantowych efektach Halla
„Badania nad ułamkowymi kwantowymi efektami Halla od dziesięcioleci są głównym przedmiotem zainteresowania współczesnej fizyki materii skondensowanej, ponieważ cząstki na równinach mogą mieć wiele osobowości i na żądanie mogą wykazywać osobowość zależną od kontekstu” – powiedział Mani. „Nasze najnowsze odkrycia przesuwają granice tej dziedziny, oferując nowy wgląd w te złożone systemy”.
Kwantowy efekt Halla jest dynamicznym i kluczowym obszarem fizyki materii skondensowanej od 1980 roku, kiedy Klaus von Klitzing ogłosił swoje odkrycie, że prosty pomiar elektryczny może dać bardzo dokładne wartości niektórych podstawowych stałych, które określają zachowanie naszego wszechświata. To odkrycie przyniosło mu m.in Nagroda Nobla w 1985 roku.
W 1998 roku Nagroda Nobla został nagrodzony za odkrycie i zrozumienie ułamkowego kwantowego efektu Halla, który sugerował, że cząstki płaskie mogą mieć ładunki ułamkowe. Podróż trwała dalej wraz z odkryciem grafenmateriału, który wykazał możliwość istnienia bezmasowych elektronów na równinach, co doprowadziło do kolejnej Nagrody Nobla w 2010 roku.
Wreszcie teorie dotyczące nowych faz materii, związane z kwantowym efektem Halla, zostały uznane za a Nagroda Nobla w 2016 roku.
Wpływ fizyki materii skondensowanej na technologię
Fizyka materii skondensowanej dała początek odkryciom, które sprawiły, że współczesna elektronika, taka jak telefony komórkowe, komputery, GPSmożliwe jest oświetlenie LED, ogniwa słoneczne, a nawet samochody autonomiczne. Nauka o równinach i materiały płaskie są obecnie badane w fizyce materii skondensowanej w celu opracowania bardziej energooszczędnej, elastycznej, szybszej i lżejszej elektroniki przyszłości, w tym nowatorskich czujników, ogniw słonecznych o wyższej wydajności, komputerów kwantowych i topologicznych komputerów kwantowych .
W ramach serii eksperymentów przeprowadzonych w ekstremalnie niskich temperaturach, bliskich -459°F (-273°C) i w polu magnetycznym prawie 100 000 razy silniejszym od ziemskiego, Mani, Wijewardena i współpracownicy zabrali się do pracy. Zastosowali prąd dodatkowy do urządzeń półprzewodnikowych o wysokiej ruchliwości wykonanych z materiałów o strukturze warstwowej z arsenku galu (GaAs) i arsenku galu glinu (AlGaAs), co pomaga w realizacji elektronów na równinie. Zaobserwowali nieoczekiwane rozszczepienie wszystkich stanów FQHE, po którym nastąpiło skrzyżowanie rozszczepionych gałęzi, co pozwoliło im zbadać nowe stany nierównowagowe tych układów kwantowych i odkryć zupełnie nowe stany materii. Badanie podkreśla kluczową rolę w powodzeniu tych badań wysokiej jakości kryształów, wyprodukowanych w Szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologii w Zurychu przez profesora Wernera Wegscheidera i dr Christiana Reichla.
Odkrywanie nowych stanów materii poprzez innowacyjne badania
„Pomyśl o tradycyjnym badaniu ułamkowych kwantowych efektów Halla jak o badaniu parteru budynku” – powiedział Mani. „Nasze badanie polega na poszukiwaniu i odkrywaniu wyższych pięter – tych ekscytujących, niezbadanych poziomów – oraz sprawdzaniu, jak wyglądają. Co zaskakujące, dzięki prostej technice udało nam się uzyskać dostęp do tych wyższych pięter i odkryć złożone sygnatury stanów wzbudzonych”.
Wijewardena, który uzyskał stopień doktora. w zeszłym roku uzyskał doktorat z fizyki w stanie Georgia, a obecnie jest członkiem wydziału Georgia College i State University w Milledgeville, wyraził swoje podekscytowanie ich pracą.
„Pracujemy nad tymi zjawiskami od wielu lat, ale po raz pierwszy opisaliśmy odkrycia eksperymentalne dotyczące uzyskiwania stanów wzbudzonych ułamkowych kwantowych stanów Halla indukowanych przez zastosowanie polaryzacji prądu stałego” – powiedział Wijewardena. „Wyniki są fascynujące i zajęło nam sporo czasu znalezienie wykonalnego wyjaśnienia naszych obserwacji”.
Badanie, wspierane przez National Science Foundation i Army Research Office, nie tylko podważa istniejące teorie, ale także sugeruje hybrydowe pochodzenie obserwowanych FQHE w stanie wzbudzonym nierównowagowym. To innowacyjne podejście i nieoczekiwane wyniki podkreślają potencjał nowych odkryć w dziedzinie fizyki materii skondensowanej, inspirując przyszłe badania i postęp technologiczny.
Konsekwencje odkryć zespołu wykraczają daleko poza laboratorium, wskazując na potencjalne spostrzeżenia dla obliczeń kwantowych i materiałoznawstwa. Eksplorując te niezbadane terytoria, badacze ci kładą podwaliny – i szkolą nowe pokolenia studentów – pod przyszłe technologie, które mogą zrewolucjonizować wszystko, od przetwarzania danych po efektywność energetyczną, jednocześnie wzmacniając gospodarkę zaawansowanych technologii.
Mani, Wijewardena i ich zespół rozszerzają obecnie swoje badania na jeszcze bardziej ekstremalne warunki, badając nowe metody pomiaru trudnych parametrów terenów płaskich. W miarę postępów spodziewają się odkrycia dalszych niuansów w tych układach kwantowych, wnosząc cenne spostrzeżenia w tej dziedzinie. Z każdym eksperymentem zespół przybliża się do zrozumienia złożonych zachowań, pozostając otwarty na możliwość nowych odkryć.
Odniesienie: „Nierównowagowe ułamkowo kwantowane efekty Halla obserwowane za pomocą spektroskopii prądu polaryzacji”: U. Kushan Wijewardena, Ramesh G. Mani, Annika Kriisa, Christian Reichl i Werner Wegscheider, 6 sierpnia 2024 r., Fizyka komunikacji.
DOI: 10.1038/s42005-024-01759-7
