Голям поглед към микросвета: Квантовият ефект на Хол придобива нови мащаби

Екип от учени от Масачузетския технологичен институт (MIT) за първи път визуализира квантовия ефект на Хол в макроскопичен мащаб. Експериментът даде възможност да се наблюдава с невъоръжено око мистериозното явление, което обикновено се случва на субатомно ниво.

Квантовият ефект на Хол, открит през 1980 гoдина от германския физик Клаус фон Клицинг възниква при определени условия – когато двумерен електронен газ (например в тънки слоеве на полупроводници) се постави в силно магнитно поле и се охлади до температури, близки до абсолютната нула.

При екстремни температури и под въздействието на силно магнитно поле електроните започват да се движат по необичайни траектории. Те сякаш са „заключени“ в малки кръгови орбити, наречени циклотронни орбити.

Една от основните характеристики на квантовия ефект на Хол е, че движението се осъществява без загуба на енергия. Това означава, че електроните не се сблъскват с препятствия и дефекти в материала, както обикновено се случва в проводниците. Процесът може да се сравни с идеална магистрала, на която няма задръствания или други препятствия. Освен това ефектът се описва с квантови числа, които показват, че проводимостта на материала се променя дискретно, а не плавно.

Този ефект е намерил много приложения във физиката на твърдите тела и е важен за разбирането на различни явления в квантовата физика, като например топологичните изолатори, при които електрическият ток може да протича без съпротивление и по ръбовете на материала.

Ричард Флетчър, доцент в MIT и ръководител на изследването, отбелязва, че обикновено такива квантови състояния съществуват само за фемтосекунди (една квадрилионна част от секундата) и на разстояния от части от нанометъра. Поради това изучаването им с традиционни методи е изключително проблематично.

За да преодолеят този проблем, учените използват облак от ултрастудени натриеви атоми вместо електрони. Резултатът е разтягане на времевите и пространствените мащаби на явлението съответно до милисекунди и микрони, което го прави достъпно за пряко наблюдение.

След това един милион ултрастудени натриеви атоми били уловени в система от лазери. За да се имитират условията на плоското пространство, те бяха завъртяни като посетители на атракцион „Гравитрон“ в увеселителен парк. Може да се каже, че благодарение на равновесието между центростремителната сила на капана и центробежната сила на въртенето атомите бяха накарани да „мислят“, че се намират в равнина.

Мартин Цвирлейн, съавтор на изследването сравнява поведението на атомите с топчета, които се въртят бързо около ръба на купа. Те се движат без триене, без да се забавят или да се разпръснат в останалата част на системата, демонстрирайки кохерентен поток. Учените определят „ръба“ на газообразния материал с помощта на лазер, т.е. създават своеобразна стена. При сблъсък с тази светлинна бариера атомите започнали да се движат само в една посока, имитирайки поведението на електроните в квантов мащаб.

За да проверят стабилността на потока на интерференция, изследователите поставили на пътя му препятствия под формата на светлинни точки. Атомите преминавали покрай тях без никакво измеримо съпротивление, потвърждавайки наличието на квантовия ефект на Хол в макроскопична система.

Това постижение открива нови възможности за изследване на квантовите явления. Сега учените могат да изследват различни аспекти на ефекта, които преди това са били недостъпни поради ограниченията на наблюденията. Резултатите от експеримента са публикувани в научното списание Nature Physics. Те могат да имат важно значение за развитието на квантовите технологии, включително за създаването на нови материали с уникални електрически свойства и за разработването на квантови компютри.