Впервые свет имитирует квантовый эффект, удостоенный Нобелевской премии.

В конце 1800-х годов физики открыли явление, которое сейчас называется эффектом Холла. Он возникает, когда через материал протекает электрический ток при приложении магнитного поля под прямым углом. В этих условиях на материале возникает напряжение, направленное вбок.

Проще говоря, магнитное поле отталкивает отрицательно заряженные электроны к одной стороне проводника. В результате накопления заряда один край становится отрицательно заряженным, а противоположный — положительно, создавая измеримую разность напряжений.

На протяжении многих лет ученые используют этот эффект как надежный инструмент. Он позволяет им с высокой точностью измерять магнитные поля и определять уровни легирования материалов, то есть добавление крошечного, контролируемого количества примеси к чистому материалу для изменения его электропроводности.

От классического эффекта Холла к квантовому эффекту Холла

В 1980-х годах исследователи, изучавшие сверхтонкие проводники при чрезвычайно низких температурах, сделали удивительное открытие. Когда эти листообразные материалы подвергались воздействию очень сильных магнитных полей, боковое напряжение не увеличивалось плавно. Вместо этого оно возрастало резкими ступенчатыми скачками.

Эти плоские области, известные как плато, оказались универсальными. Они не зависят от состава материала, его формы или микроскопических дефектов. Их значения определяются только фундаментальными константами природы: зарядом электрона и постоянной Планка.

Это явление стало известно как квантовый эффект Холла. Его важность была быстро признана, и в конечном итоге оно принесло три Нобелевские премии по физике: в 1985 году за открытие квантового эффекта Холла, в 1998 году за открытие дробного квантового эффекта Холла и в 2016 году за открытие топологических фаз материи.

Почему свет представлял собой серьезную проблему

До недавнего времени квантовый эффект Холла наблюдался преимущественно у электронов. Поскольку электроны несут электрический заряд, они непосредственно реагируют на электрические и магнитные поля. Фотоны, являющиеся частицами света, не имеют электрического заряда и, следовательно, не реагируют на эти силы.

В результате воссоздание квантового эффекта Холла с помощью света оказалось чрезвычайно сложной задачей.

Наблюдение квантованного дрейфа света

Международная группа исследователей достигла этой цели, продемонстрировав квантованный поперечный дрейф света. Результаты их работы были опубликованы в журнале Physical Review X.

«Свет распространяется квантованным образом, следуя универсальным ступеням, аналогичным тем, которые наблюдаются у электронов в сильных магнитных полях», — сказал Филипп Сент-Жан, профессор физики в Монреальском университете и соавтор исследования.

Потенциальное влияние этого результата значительно. В метрологии, науке о точных измерениях, оптические системы однажды могут стать универсальным эталонным стандартом, возможно, работая параллельно с электронными системами или даже заменяя их.

Последствия для измерений и стандартов

Квантовый эффект Холла уже играет центральную роль в современной науке об измерениях.

«Сегодня килограмм определяется на основе фундаментальных констант с помощью электромеханического устройства, которое сравнивает электрический ток с массой», — пояснил Сент-Жан. «Для идеальной калибровки этого тока нам необходим универсальный стандарт электрического сопротивления».

«Квантовые плато Холла дают нам именно это. Благодаря им каждая страна в мире имеет одинаковое определение массы, не полагаясь на физические артефакты».

По словам Сент-Жана, получение точного, квантованного контроля над потоками света может расширить возможности не только в метрологии, но и в квантовой обработке информации. Это может даже способствовать созданию более устойчивых квантовых фотонных компьютеров.

Небольшие отклонения от идеального квантования также могут быть полезны. Даже мельчайшие отклонения могут выявить едва заметные возмущения окружающей среды, открывая путь к созданию чрезвычайно чувствительных новых типов датчиков.

Создание будущего фотоники

«Наблюдение за квантованным потоком света представляет собой уникальную задачу, поскольку фотонные системы по своей природе находятся вне равновесия», — отметил Сент-Жан. «В отличие от электронов, свет требует точного контроля, манипулирования и стабилизации».

Достижение команды стало возможным благодаря передовым экспериментальным инженерным разработкам. Их работа открывает новые возможности для проектирования фотонных устройств следующего поколения, способных передавать и обрабатывать информацию совершенно новыми, мощными способами.

Источник: www.sciencedaily.com