Квантовый эффект Холла и аномалия четности: ученые ищут ключ к новым технологиям

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

В мире квантовой физики, где царят неопределенность и парадоксы, ученые постоянно ищут ключи к разгадке тайн природы. Одним из таких ключей может стать аномалия четности, явление, предсказанное еще в 1980-х годах, но до сих пор не имевшее экспериментального подтверждения.

Автор: Designer

Исследователи из Вюрцбургского университета имени Юлиуса-Максимилиана (Германия) сделали важный шаг в этом направлении, наблюдая необычный квантовый эффект Холла в микроскопическом устройстве из теллурида ртути (HgTe). Этот эффект, как оказалось, непосредственно связан с аномалией четности, что открывает новые возможности для изучения фундаментальных свойств квантового мира.

Невидимые танцоры на квантовой сцене

Чтобы понять суть открытия, нужно заглянуть в мир топологических изоляторов — материалов, которые ведут себя как изоляторы внутри, но проводят электричество по своей поверхности. Такое необычное поведение обусловлено особыми электронными состояниями, которые существуют только на границе материала.

Представьте себе балетную сцену, где танцоры могут двигаться только по краю, не заступая на центральную часть. Электроны в топологических изоляторах ведут себя подобно этим танцорам, и их движение определяется законами квантовой механики.

Аномалия, нарушающая симметрию

Одним из фундаментальных принципов физики является симметрия четности, которая означает, что законы природы одинаковы для системы и ее зеркального отражения. Однако в квантовом мире эта симметрия может нарушаться, что и происходит в случае аномалии четности.

В топологических изоляторах аномалия четности проявляется в том, что электронные состояния на поверхности материала не симметричны относительно зеркального отражения. Это нарушение симметрии приводит к спектральной асимметрии, которая может быть обнаружена по изменениям электрического сопротивления.

Повторный квантовый эффект Холла — ключ к разгадке

В своем эксперименте физики из Вюрцбурга наблюдали повторный квантовый эффект Холла, который проявляется в том, что электрическое сопротивление материала изменяется ступенчато при изменении магнитного поля. Особенность этого эффекта в данном случае заключалась в том, что он возникал именно благодаря спектральной асимметрии, вызванной аномалией четности.



Устройство бара Холла. Иллюстрация структуры слоя (толщина не в масштабе) и конфигурации измерений Холла. Обозначим слой топологического изолятора (Hg,Mn)Te и барьеры (Hg,Cd)Te. Легированная подложка GaAs действует как нижний затвор и отделена от нижнего барьера буфером CdTe. Верхний затвор Au/Ti отделен тонким изолирующим HfOy слой. Измерения переноса выполняются через омические контакты Au/AuGe.
Устройство бара Холла. Иллюстрация структуры слоя (толщина не в масштабе) и конфигурации измерений Холла. Обозначим слой топологического изолятора (Hg, Mn) Te и барьеры (Hg, Cd) Te. Легированная подложка GaAs действует как нижний затвор и отделена от нижнего барьера буфером CdTe. Верхний затвор Au/Ti отделен тонким изолирующим HfOy слой. Измерения переноса выполняются через омические контакты Au/AuGe.
Автор: L.-X. Wang, W. Beugeling, F. Schmitt, L. Lunczer, J.-B. Mayer, H. Buhmann, E. M. Hankiewicz, L. W. Molenkamp, Spectral Asymmetry Induces a Re-Entrant Quantum Hall Effect in a Topological Insulator. Adv. Sci. 2024, 2307447. https://doi.org/10.1002/advs.202307447 Источник: onlinelibrary.wiley.com

Это открытие имеет большое значение для фундаментальной физики, поскольку оно дает первое экспериментальное подтверждение существования аномалии четности в твердых телах. Кроме того, оно открывает новые возможности для изучения топологических изоляторов и их уникальных свойств.



Реентерабельный квантовый эффект Холла в 3D топологическом изоляторе из-за спектральной асимметрии. а) Механизм спектральной асимметрии. При увеличении магнитного поля B происходит потеря инверсии зоны, и нулевой уровень Ландау переходит из валентной зоны в зону проводимость. b) Наблюдение реентерабельного квантового эффекта Холла в режиме p-типа.
Реентерабельный квантовый эффект Холла в 3D топологическом изоляторе из-за спектральной асимметрии. а) Механизм спектральной асимметрии. При увеличении магнитного поля B происходит потеря инверсии зоны, и нулевой уровень Ландау переходит из валентной зоны в зону проводимость. b) Наблюдение реентерабельного квантового эффекта Холла в режиме p-типа.
Автор: L.-X. Wang, W. Beugeling, F. Schmitt, L. Lunczer, J.-B. Mayer, H. Buhmann, E. M. Hankiewicz, L. W. Molenkamp, Spectral Asymmetry Induces a Re-Entrant Quantum Hall Effect in a Topological Insulator. Adv. Sci. 2024, 2307447. https://doi.org/10.1002/advs.202307447 Источник: onlinelibrary.wiley.com

Взгляд в будущее: новые технологии на грани квантового мира

Исследование аномалии четности и ее влияния на свойства топологических изоляторов имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение. Топологические изоляторы обладают потенциалом для создания новых электронных устройств, таких как квантовые компьютеры и сверхпроводящие транзисторы.

Понимание аномалии четности и ее роли в формировании электронных свойств топологических изоляторов может помочь ученым разработать новые материалы и устройства с уникальными характеристиками.

Таким образом, изучение танца электронов на грани топологических изоляторов открывает дверь в удивительный квантовый мир, где нарушение симметрии рождает новые возможности для технологий будущего.

4 комментария

Добавить комментарий

a
Вы совсем обалдели? Какие 80-е? Нарушение четности было обнаружено в 1956 экспериментально, а в 1957 уже за это дали нобелевку. В 1964 открыли, а в 1980-м дали нобелевку еще и за нарушение cp-инвариантности (зеркальное отражение плюс замена частиц античастицами).
S
Ты сейчас про спонтанное нарушение электрослабой симметрии, я полагаю.
В статье рассматривается другой эффект, не полевой, а квантовый.
a
Спонтанное нарушение симметрии — это массы калибровочных бозонов. Нарушение четности — это другая особенность слабых взаимодействий. И, кстати, чистые кванты, никакой классики.
118211752067278866048@google
Ничего не понял, но очень интересно :-)

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Обзор наушников JUZEAR Light Shuttle: семидрайверные трибриды

JUZEAR Light Shuttle — новейшая модель внутриканальных наушников от аудиобренда JUZEAR, сочетающая сложную семидрайверную трибридную акустическую систему с четырёхполосным кроссовером,...

Вселенная возникла не за один этап: почему рождение космоса оказалось сложнее, чем думали

Согласно общепринятой космологической теории, в первые мгновения после своего возникновения Вселенная пережила фазу колоссального ускоренного расширения — инфляцию. За ничтожные доли...

Зачем СССР расселял енотовидную собаку, если теперь её винят в разносе бешенства?

Осенью на опушке леса, а порой и у деревенских огородов можно встретить зверя, похожего одновременно на енота и на лису: приземистое тело, короткие лапы, тёмная «маска» на морде. Это енотовидная...

Как работает эволюция без естественного отбора: математики нашли скрытую причину устойчивости жизни

В стандартной теории эволюции главное правило формулируется просто: естественный отбор направляет развитие популяций исключительно туда, где возрастают шансы на выживание и размножение. Если...

Почему кошка приносит мышь или птицу домой: правда ли это подарок хозяину

Когда кошка кладёт мышь посреди кухни, происходящее выглядит почти как демонстрация. Вот её находка, а вот хозяин, который явно не готов оценить старания. Легко решить, что питомец принёс подарок...

Что если время в квантовом мире подчиняется другим законам? Физики придумали опыт, который это проверит

В фундаментальной физике существует глубокий внутренний конфликт, который остается нерешенным на протяжении целого века. Он связан с тем, как квантовая механика описывает физические величины.Когда...