Иллюстрация: Felice Appugliese et al. / Science. Инициативная группа европейских физиков экспериментально подтвердила, что вакуумные квантовые флуктуации способны эффективно модифицировать квантовый эффект Холла. Ученые продемонстрировали, что весь процесс излучения и поглощения виртуальных фотонов поверхностными электронами в условиях резонатора приводит к возникновению скачков в их движении. Данный феномен нарушает характерное для эффекта Холла целочисленное квантование магнитосопротивления. Результаты исследования опубликованы в журнале Science. Это открытие имеет фундаментальное значение. В середине прошлого века квантовая механика стала общепризнанной теорией, описывающей физические явления на микроуровне. Однако дальнейшее развитие физики показало, что это лишь первый шаг. Открытие и объяснение лэмбовского сдвига потребовало введения новых физических концепций – состояний полей и правил превращения элементарных частиц – возбуждений этих полей.
В конечном итоге, это привело к созданию теории поля и объединению трех из четырех фундаментальных взаимодействий в рамках Стандартной модели. Данное исследование демонстрирует продолжающуюся эволюцию нашей понимания мира на самом фундаментальном уровне.
Сам лэмбовский сдвиг представляется как следствие процессов, которые физики называют квантовыми флуктуациями либо взаимодействием с вакуумом (реже самодействие). В этих процессах начальное и конечное состояние частицы одно и то же, а в промежутке между ними рождаются или уничтожаются виртуальные частицы, в первую очередь виртуальные фотоны.
Со временем физики пришли к идее о том, что меняя свойства фотонного вакуума, можно управлять свойствами атомов, зависящих от квантовых флуктуаций, например, энергиями уровней или спонтанным излучением. Для этого предлагается использовать резонаторы или фотонные кристаллы. Ряд теоретических работ предложил распространить эту идею на управление коллективными эффектами, такими, как известные эффекты: сверхпроводимость, сегнетоэлектричество и сверхизлучение, однако однозначных экспериментальных свидетельств того, что инжиниринг фотонного вакуума способен повлиять на свойства квантовых фаз в твердых телах, до сих пор не существует.
Физики из Франции и Швейцарии под руководством Жерома Фаист (Jérôme Faist) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха провели эксперимент, который убедительно доказывает, что модификация фотонного вакуума способна повлиять на характер квантового эффекта Холла. Исследование поднимает вопрос о том, насколько этот факт может воспрепятствовать использованию квантового эффекта Холла в качестве метрологического стандарта сопротивления.
При движении электронов в магнитном поле возникает сила Лоренца, которая смещает их перпендикулярно скорости. Эффект справедлив и для электрического тока в проводнике, что выражается в появлении холловского напряжения на его краях. Отношение этого напряжения к продольному току, получившее название холловского или поперечного сопротивления, линейно зависит от магнитного поля.
Эта ситуация меняется, если измерять сопротивление Холла в двумерном электронном газе. Тогда с ростом магнитного поля зависимость от него приобретает ступенчатый характер, в пределах которых сопротивление постоянно и равно комбинации физических констант и некоторого целого числа. Это явление получило название квантового эффекта Холла. Сегодня оно чаще всего рассматривается физиками в контексте топологических изоляторов, в которых электрический ток протекает только по поверхности. Из-за топологической защиты дискретный характер холловского сопротивления устойчив к примесям и беспорядку, что делает его перспективным с точки зрения метрологии.
Впрочем, нарушение квантованности сопротивления все же возможно благодаря взаимодействию электронов с вакуумными модами. Ранее один из авторов работы уже показал, что при наличии беспорядка в системе с квантовым эффектом Холла испускание и поглощение виртуального фотона может привести к скачку поверхностного электрона. Для проверки этой гипотезы физики помещали полоску Холла с шестью контактами шириной 40 микрометров, предназначенную для измерений продольного и поперечного сопротивлений, в металлический резонатор с основной частотой равной 140 гигагерц. Система была настроена так, чтобы обеспечить сильную связь между модами резонатора и электронами (частота Раби равна 0,3 частоты резонатора). Эта связь работает даже в том случае, если моды резонатора возбуждаются виртуально.
Авторы сравнили зависимость продольных и поперечных сопротивлений от магнитного поля для двух одинаковых полосок Холла, одна из которых была в резонаторе, а другая нет. Они обнаружили отклонения от целочисленного квантования для образца в резонаторе, особенно ярко выраженные для нечетных плато. Измерение зависимости продольного удельного сопротивления от циклотронной энергии показало, что разница для четных и нечетных ступеней достигает двух порядков. Такая разница возникает из-за того, что в нечетном случае энергия Ферми близка к середине уширенных уровней Ландау.
Продольное и поперечное магнитосопротивление для образца в резонаторе (синий) и вне его (черный). Оранжевыми точками обозначены симуляции. Felice Appugliese et al. / Science
Для подтверждения универсальности обнаруженного эффекта физики повторили эксперимент для другой геометрии контактов полоски Холла, а также с электронным газом с другими свойствами. Во всех случаях поведение магнитосопротивления оставалось таким же. Они также выяснили, что приближение сверху дополнительной золотой пластины увеличивает эффект, несмотря на то, что такая модификация резонатора уменьшает связь электронов с фотонами. Авторы сделали вывод о том, что в данном случае градиент электрического поля играют более важную роль. Инжиниринг фотонного вакуума может иметь более фундаментальные последствия, нежели просто изменения атомных или твердотельных процессов.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
