Квантование теплопроводности в топологических материалах увидели в эксперименте

Схема экспериментальной установки

Mitali Banerjee et al. / Nature, 2017

Известно, что у систем, в которых между частицами практически нет взаимодействия, например фотоны или электронная ферми-жидкость, теплопроводность квантуется. Физики из Израиля и США впервые показали, что это справедливо и для систем с сильновзаимодействующими частицами, в частности — двумерных топологических систем. Соответствующая статья опубликована в журнале Nature.

На сегодняшний день быстро развивается много областей физики, связанных тем или иным образом с квантовыми компьютерами. Для решения одной из проблем квантовых компьютеров — непостоянности состояния кубитов, ученые надеются использовать энионы — двумерные квазичастицы, достаточно стабильные для использования в квантовых компьютерах. Однако энионы недостаточно хорошо изучены. Для того, чтобы лучше их понять, ученые и измеряли теплопроводность системы, в которой энионы играют существенную роль.


Энионы впервые были предсказаны в 1982 году при исследовании дробного квантового эффекта Холла. Первый эксперимент, который доказывал, что такие квазичастицы — это не просто математическая абстракция, был проведен в 2005 году в Университете Стоуни Брук, однако не все научное сообщество признало его результаты достаточно убедительными. Энионы примечательны тем, что они не являются ни бозонами, ни фермионами, а обладают собственной статистикой.

Чтобы немного разобраться, что такое энионы, представим 2 свободных электрона в двумерном газе и будем считать, что они не взаимодействуют. Электроны будут летать по прямым в плоскости газа. Включим теперь магнитное поле, перпендикулярное плоскости газа. Электроны начнут летать по окружностям из-за возникшей силы Лоренца. Включим обратно взаимодействие между электронами. Теперь наши электроны летают не по окружностям, а по сложной траектории, двигаясь одновременно вокруг центра «магнитной» окружности и друг относительно друга, взаимодействуя сложным образом посредством кристаллической решетки. Свойства такой пары очень сильно зависят от характера взаимодействия между электронами. Собственно, пара электронов, взаимодействующих друг с другом специальным образом, и называется энионом.

В двумерной системе с внешним магнитным полем теплопроводность определяется тем, что происходит на краю системы. В то время, как в центре электроны вращаются друг вокруг друга, при этом медленно курсируя в определенном направлении, часть электронов (в том числе и объединившихся в квазичастицы) во время движения встречает на своем пути границу образца. Они отражаются от нее, сохраняя во время столкновений импульс «вдоль» границы, за счет чего передвигаются по образцу намного быстрее. Благодаря такому механизму, именно «пограничные» электроны вносят наибольший вклад в процессы переноса, в частности и в теплопроводность.

В качестве изучаемой среды ученые использовали контакт полупроводников — арсенида галлия (GaAs) и арсенида галлия алюминия (AlGaAs) во внешнем магнитном поле. При достаточно низких температурах на месте контакта этих полупроводников возникает двумерный электронный газ, в котором могут рождаться энионы. Во время эксперимента физики измеряли теплопроводность системы в зависимости от заселенности первого уровня Ландау (уровни Ландау — возможные значения энергии электрона в магнитном поле, каждый уровень имеет свое максимальное количество мест для электронов, больший номер уровня — большая энергия). При этом исследователи наблюдали как и более изученные «частицеподобные» квазичастицы Лафлин-Джейн, которые образуются при менее чем наполовину заполненном уровне Ландау, так и менее изученные «дыркоподобные» (уровень Ландау заполнен более, чем наполовину).

Оказалось, как и предсказывает теория, теплопроводность сильновзаимодействующих систем квантуется, причем величина кванта не зависит от типа квазичастицы (или частицы) и равна

Кроме того, заряд квазичастицы, измеренный в количестве зарядов электрона, совпал с заполненностью уровня Ландау, например состоянию с уровнем Ландау, заполненном на ⅓, соответствует квазичастица с зарядом ⅓ e.

В будущем ученые надеются провести схожие измерения для других уровней Ландау, а также более детально исследовать состояния с заселенным более, чем наполовину уровнем.

Александр Чепилко

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.