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.
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.
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

Выдерживает 10 000 сжатий и сохраняет 92% сигнала: как устроен новый самовосстанавливающийся композит

В современном машиностроении, авиации и космической отрасли к материалам предъявляют все более сложные требования. Конструктивные элементы современных самолетов, подводных лодок, автомобилей или...

Почему морковь вырастает уродливой, разветвлённой и с несколькими «ногами»

Иногда морковь выдёргиваешь из земли и на секунду думаешь, что вместе с урожаем достал какое-то подземное существо. Вместо привычного ровного корнеплода из земли показывается странная фигура с...

Тренажер гитарных аккордов, сделанный на 3D-принтере, который поможет новичку

Игра на гитаре для многих может показаться довольно сложным хобби. Ведь для этого нужно много времени, а что делать, если постоянно находишься на работе, а вечерами остаётся совсем мало свободного...

Есть ли жизнь на Марсе прямо сейчас? Земные экстремофилы доказали способность активно расти под поверхностью Марса

В 1976 году американский космический аппарат «Викинг-1» совершил посадку на Марсе и провел первый в истории прямой эксперимент по поиску внеземной жизни. Прибор Labeled Release добавил в...

Ископаемый мозг возрастом 80 млн лет показал: ранние змеи параллельно осваивали жизнь под землей, на суше и в море

Происхождение змей — достаточно сложная и обсуждаемая тема в эволюционной биологии позвоночных животных. Переход от четырехопорных ящериц к удлиненному телу без конечностей потребовал...

Почему тепловизор не видит белого медведя на снегу: как устроена термоизоляция хищника

В начале двухтысячных полярные исследователи попытались пересчитать популяцию белых медведей с помощью авиации и тепловизоров. Расчёт казался безупречным: пятисоткилограммовое теплокровное животное...