Физики ломают голову над проблемой возникновения странных электронных агрегатов.

Было замечено, что электроны объединяются в сущности с долями электрического заряда, на этот раз без воздействия магнитного поля. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

За 127 лет, прошедших с момента открытия электрона, он подвергся, пожалуй, более тщательному изучению, чем любая другая частица. В результате его свойства не просто хорошо известны, но и заучены наизусть в учебниках: электроны обладают небольшой массой и отрицательным электрическим зарядом. В проводнике они относительно беспрепятственно движутся под действием тока; в изоляторе они почти не двигаются.

Со временем появились оговорки. Например, под воздействием сильного магнитного поля электроны могут терять свою индивидуальность и образовывать «квазичастицы»: коллективные образования, подобные форме, которую образует стая рыб. Но даже эти коллективные состояния хорошо задокументированы.

Поэтому в прошлом году стало шоком обнаружение нового эффекта в электронах. В августе 2023 года исследователи из Вашингтонского университета сообщили, что в стопке из двух атомарно тонких кристаллических слоев, смещенных друг относительно друга под небольшим углом, электроны ведут себя как квазичастицы с дробными величинами заряда, такими как $latex -frac{2}{3}$ и $latex -frac{3}{5}$. Несколько месяцев спустя группа исследователей из Массачусетского технологического института сообщила о том же эффекте в другом материале. Это был первый случай, когда электроны образовали дробные квазичастицы без влияния магнитного поля.

Хотя предсказания о возможности этого конкретного эффекта появились еще в 2011 году, теоретики до сих пор ломают голову над новым открытием. Неясно, как работает лежащий в основе механизм в материале, исследованном группой из Массачусетского технологического института; расчеты нескольких групп не дают полного объяснения дробных состояний и не совпадают. Возможно, присутствуют и другие, еще более странные квантовые фазы материи.

Новое открытие не случайно и не относится к какому-либо конкретному материалу. Скорее, оно универсально и фундаментально — результат квантовой природы электрона, хотя и поведения, которое до сих пор оставалось скрытым. Хотя физики конденсированных сред стремятся понять весь спектр поведения электронов ради самих себя, всегда есть шанс раскрыть основу для технологии, способной изменить мир. В данном случае, вновь обнаруженный эффект может содержать в себе зачатки давно искомых квазичастиц со стабильной памятью, которые могли бы лечь в основу нового и мощного подхода к квантовым вычислениям.

Необычные дроби

История, приведшая к прошлогодним открытиям, началась в 1879 году, когда Эдвин Холл, аспирант Университета Джонса Хопкинса, приложил магнитное поле вертикально к плоской металлической ленте, вдоль которой протекал ток. Поле оттолкнуло поток электронов к одному краю ленты. Возникший боковой ток и связанное с ним боковое сопротивление впоследствии были названы в честь Холла.

Столетие спустя немецкий физик Клаус фон Клитцинг исследовал эффект Холла в листе сверххолодного чистого арсенида галлия. По мере увеличения магнитного поля фон Клитцинг ожидал увидеть устойчивое увеличение сопротивления Холла. Но вместо непрерывного роста сопротивление Холла оставалось неизменным, а затем резко возрастало, образуя лестницу из дискретных ступеней. Еще более странно, что плато были обнаружены на целочисленных кратных квадрату фундаментальной константы: e, заряда электрона.

Почему наблюдаются странные плато? Исследователи поняли, что сопротивление Холла не может изменяться плавно, потому что сильное магнитное поле раздвигает энергетические уровни электронов — по сути, их допустимые скорости — очень далеко друг от друга. Это разнесение означало, что небольшое увеличение магнитного поля ничего не меняет; электроны по-прежнему должны сохранять ту же скорость и, следовательно, испытывать то же сопротивление, что и раньше. Только значительное увеличение магнитного поля могло заставить электроны перейти на следующий энергетический уровень.

Ситуация обострилась в 1982 году, когда три физика из Bell Labs обнаружили поразительную новую серию плато сопротивления , на этот раз при значениях, кратных квадрату заряда электрона. Хорст Штёрмер, один из первооткрывателей, описал странность этих дробных значений в своей Нобелевской лекции после того, как разделил премию за эту работу: «Многие электроны, действуя согласованно, могут создавать новые частицы, имеющие заряд меньше заряда любого отдельного электрона. Так быть не должно». Штёрмер и его коллеги использовали тот же материал, в аналогичной экспериментальной установке, используя, конечно же, те же неделимые электроны — так откуда же взялись эти невероятные дробные значения?

Теоретики объясняют это сложной сетью отталкивающих взаимодействий между каждым электроном в материале и каждым другим. Эти взаимодействия — «недостающий ингредиент», — говорит Дженнифер Кано, теоретик конденсированных сред из Университета Стоуни-Брук. Взаимодействующие электроны, находясь в нужном положении, способны собирать нити магнитного поля, образуя новые квазичастицы, называемые составными фермионами. В то время как отдельные электроны занимают энергетические уровни с целым числом n, составные фермионы занимают энергетические уровни, подчиняющиеся правилу n/(2n + 1), что приводит к образованию ряда дробных значений. Другая интерпретация заключается в том, что дробный квантовый эффект Холла подобен целочисленному квантовому эффекту Холла, но для квазичастиц, несущих дробные заряды.

Танец электронов

Как целочисленный, так и дробный квантовый эффект Холла проявлялись в присутствии сильного магнитного поля. Но физики задавались вопросом: является ли это поле необходимым? В конце 80-х годов теоретик Дункан Холдейн, работавший тогда в Калифорнийском университете в Сан-Диего, предсказал, что, возможно, удастся наблюдать целочисленные плато даже без помощи внешнего магнитного поля — так называемый квантовый аномальный эффект Холла. (Здесь «аномальный» просто означает «происходящий без внешнего магнитного поля».) Холдейн представил себе двумерную гексагональную решетку атомов, в которой электроны перескакивали туда и обратно, меняясь местами со своими ближайшими соседями. В результате этого электронного «танца» действует как внутреннее магнитное поле — заменитель внешнего поля, которое раздвигает энергетические уровни электронов.

В 2012 году группа исследователей из Университета Цинхуа в Китае создала металлическую пленку из смеси элементов — висмута, сурьмы и теллура, с добавлением небольшого количества хрома для создания эффективного внутреннего магнитного поля. Когда группа из Цинхуа пропустила ток через пленку без какого-либо внешнего магнитного поля, появились характерные целочисленные плато в сопротивлении Холла.

Примерно в то же время три независимые группы исследователей предложили способы создания дробного квантового аномального эффекта Холла с рядом плато на уровнях, составляющих доли квадрата заряда электрона. Для его демонстрации гипотетический материал должен был обладать мощным эффективным внутренним магнитным полем. Кроме того, он должен был поддерживать тонкие многочастичные взаимодействия, которые заставляют электроны «одеться» в магнитное поле и создать составные фермионы — жесткие требования. «Я думал, что это никогда не будет реализовано», — сказал Б. Андрей Берневиг, теоретик физики конденсированных сред из Принстонского университета, работавший над одной из этих статей.

Чего они никак не ожидали, так это появления совершенно нового класса двумерных материалов.

Муаровая магия

В 2004 году, после десятилетий попыток, физикам удалось выделить лист графена — гексагональной решетки атомов углерода — с помощью новой процедуры отслоения: они использовали скотч, чтобы отделить лист от пластины графита. Двумерные материалы, такие как графен, вскоре показали свою перспективность в качестве платформ для интересных явлений, связанных с поведением электронов. Всего несколько лет спустя физики поместили графен при комнатной температуре под мощное магнитное поле и наблюдали целочисленный квантовый эффект Холла.

Но именно «муаровые материалы» закрепили за двумерными материалами статус предпочтительной платформы. Это слово, произносимое как «муа-рей» или «мор-эй», традиционно обозначает волнообразный узор, создаваемый наложением двух листов ткани, например, шелка. Физики заимствовали этот термин для описания узоров, создаваемых при смещении наложенных друг на друга листов атомов на угол или при небольшом несоответствии их размеров.

По сравнению с обычными трехмерными материалами, двумерные муаровые структуры обладают чрезвычайно широкими возможностями для индивидуальной настройки. Незначительные изменения в системах могут привести к существенным переменам. Например, в 2017 году исследователи из Массачусетского технологического института повернули два листа графена ровно на 1,1 градуса. При охлаждении до нескольких градусов выше абсолютного нуля муаровый материал продемонстрировал одно из самых привлекательных квантовых состояний: сверхпроводимость, при которой электроны текут с нулевым сопротивлением. Изменение угла поворота на полградуса приводит к исчезновению сверхпроводимости. Практически мгновенно многие исследовательские группы переключили свои усилия и начали попытки создания муаровых материалов.

«Вы выходите за рамки того, как, по замыслу природы, должны выглядеть эти кристаллы, искусственно создавая их», — сказал Мэтью Янковиц, физик из Вашингтонского университета.

Некоторые исследователи, в том числе Цзе Шань и Кин Фай Мак, пара физиков из Корнельского университета, работали с двумерными кристаллами, называемыми дихалькогенидами переходных металлов (ДПМ). Это полупроводники, подобные кремнию, идеально подходящие для исследования электронного поведения. Когда Шань и Мак создали муаровые узоры из ДПМ, возникли интересные явления. Один из муаровых узоров из ДПМ продемонстрировал квантовый аномальный эффект Холла. Но его дробный аналог оставался догадкой о недостижимом.

Дроби и аномалии

Прорыв произошел год назад, когда группа исследователей из Вашингтонского университета под руководством Сяодуна Сюй смогла наблюдать дробный квантовый аномальный эффект Холла в муаровом материале, состоящем из сложенных и скрученных слоев дителлурида молибдена, разновидности TMD. Это был первый случай, когда дробные заряды были убедительно обнаружены без внешнего магнитного поля. Через несколько недель после публикации работы команды Сюй в журнале Nature, группа из Шанхайского университета Цзяотун сообщила о тех же результатах в журнале Physical Review X.

Лонг Джу, физик из Массачусетского технологического института, специализирующийся на двумерных материалах, также занимался изучением этого эффекта. Джу поместил пять слоев тщательно выровненного графена между слоями нитрида бора, охладил их и измерил сопротивление.

И снова характерные кратные плато появились без какого-либо магнитного поля. «Это было полной неожиданностью», — сказал Цзю.

Хотя некоторые исследования указывали на то, что TMD будут проявлять этот эффект (при правильном угле скручивания ожидалось, что материалы будут создавать мощное эффективное внутреннее магнитное поле), ни один теоретик не предсказывал, что этот эффект проявится в материале, подобном тому, который обнаружил Джу в Массачусетском технологическом институте. Это открытие вызвало немало недоумения.

Кано, работающая в Университете Стоуни-Брук, с удовольствием размышляла над дробным квантовым эффектом Холла, который с тех пор в основном был решен. «Я думала, что это уже в прошлом», — сказала она. «Меня очень воодушевили подобные разработки в области скрученных TMD и графена». Кано и другие теоретики размышляют о том, как моделировать эти материалы, но это непросто. «Они деформируются, образуют волны, напрягаются, искажаются, поэтому на самом деле очень сложно создать количественно правильную модель», — сказала она.

Трудность понимания дробного квантового аномального эффекта Холла заключается в двух аспектах. Теоретикам сначала нужно разобраться с тем, что на самом деле происходит в экспериментальных образцах. Затем им необходимо рассмотреть: что, в принципе, могут делать электроны?

Точная роль муарового узора до сих пор плохо изучена. Некоторые теоретики первоначально задавались вопросом, нужен ли муар вообще. Возможно, вся магия заключалась в графене. Неопубликованные результаты группы Джу с тех пор показали, что без несовпадающих гексагональных решеток нитрида бора и графена дробные заряды отсутствуют. «Очевидно, что муар важен», — сказал Берневиг.

Одна из возможностей заключается в том, что слоистый графен может содержать так называемый аномальный кристалл Холла. В отличие от физического кристалла, состоящего из решетки атомов, такого как алмаз, аномальный кристалл Холла был бы эфемерным, с решеткой, состоящей из электронов, расположенных в виде сот. Электроны в таком кристалле стабильны, но, как выразился Кано, «все еще способны взаимодействовать друг с другом», и поэтому их коллективное взаимодействие может приводить к образованию составных фермионов с дробными зарядами.

В настоящее время Джу создает новые образцы и пытается измерить их при более низких температурах, где в системе будет меньше тепловой энергии, что потенциально позволит ему обнаружить аномальный кристалл Холла. Работа продолжается, и «пока еще слишком рано делать какие-либо выводы», — сказал он.

Хотя большинство квазичастиц с дробными зарядами, возникающих в этих системах, относятся к составным фермионам, некоторые дроби с нечетными числителями, такие как состояния 5/2 и 7/2, могут включать в себя более странные квазичастицы, называемые неабелевыми анионами. Если свернуть два таких аниона друг вокруг друга, их состояния изменятся, сохраняя запись этого свертывания. Если бы эти анионы можно было изолировать и «сплести» — контролируемую операцию по сворачиванию их траекторий, — они могли бы образовать идеальные квантовые биты, необходимые для квантовых вычислений, поскольку закодированная в них информация была бы надежной и стабильной.

Потенциал неабелевых анионов для квантовых вычислений стимулировал десятилетия исследований в академических кругах и промышленности. Хотя были намеки — и отозванные заявления — никто окончательно не обнаружил эти редкие квазичастицы, не говоря уже об использовании их для вычислений. Исследователи, такие как Андреа Янг, экспериментатор из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, возлагают свои надежды на муаровые эффекты, которые, возможно, предоставляют наилучший шанс увидеть их квантовую цель. Даже в двух измерениях обнаружение неабелевых анионов будет непростой задачей. «Это настоящий зоопарк», — сказала Янг. «В этих системах может происходить очень многое».

Источник: www.quantamagazine.org