Квантование фарадеевского вращения оказалось в точности равно постоянной тонкой структуры

Физики из Австрии и США провели эксперимент по квантованию фарадеевского вращения в тонких пленках. В основе этого явления лежит квантовый аномальный эффект Холла, который связан с намагниченностью вещества и не требует больших магнитных полей. Авторы показали, что в квантовый скачок угла поляризации в точности равен постоянной тонкой структуры. Исследование опубликовано в Applied Physics Letters.

Постоянная тонкой структуры возникла в физике благодаря увеличению точности, с которой экспериментаторы научились определять энергии атомных уровней. Ее ввел Арнольд Зоммерфельд в 1916 году как параметр, определяющий то, насколько сильно расщепляются уровни в тонкой структуре. Оказалось, что эта константа, безразмерная и равная примерно 1/137, имеет куда более фундаментальное значение.

Помимо спектроскопического способа определения постоянной тонкой структуры физики используют астрофизические данные, причем второй способ оказывается точнее. В обоих случаях, однако, речь идет о косвенном извлечении: нужная константа получается как результат математической комбинации измеренных параметров той или иной размерности.

И все же экспериментаторы нашли прямой доступ к постоянной тонкой структуры. Он основан на том, что эта величина может быть получена в виде комбинации кванта холловской проводимости и скорости света. На практике это означает, что при некоторых условиях можно наблюдать квантованный эффект Фарадея. Другими словами, поворот плоскости поляризации может происходить лишь на целое число, умноженное на угол, в точности равный постоянной тонкой структуры. Проблема в том, что без дополнительных усилий квантовый эффект Холла возникает только при слишком низких частотах, а сильное магнитное поле, нужное, чтобы его увидеть, размывает квантование.

Чтобы обойтись без сильных магнитных полей, Алексей Шуваев (Alexey Shuvaev) из Венского технологического университета и его коллеги из Австрии и США обратились к аномальному эффекту Холла. В отличие от своей нормальной версии, аномальный эффект возникает в материалах, которые способны поддерживать достаточно большую намагниченность в отсутствие магнитного поля, и связан со спиновыми свойствам носителей зарядов. Его квантовая версия впервые была обнаружена лишь в 2013 году.

Физики проводили опыты с монокристаллами (Cr_0,12Bi_0,26Sb_0,62)₂Te₃, выращенными методом молекулярно лучевой эпитаксии на подложке арсенида галлия. Образцы имели форму, близкую к шестиугольной с характерным размером около 10 миллиметров и толщиной 6 нанометров. К углам авторы присоединяли индиевые контакты для измерения холловского сопротивления.

Суть опыта заключалась в прохождении через образец терагерцового излучения и измерения пропускания в схеме параллельных и скрещенных поляризаторов. В этом случае угол фарадеевского вращения определяется через арктангенс этих двух величин. Поскольку каждая пленка представляет собой идеальную пластинку, в некотором диапазоне частот пропускание демонстрирует характерную интерференцию Фабри — Перо. Основной результат авторы получили на частоте одного из максимумов — 188 гигагерцах.

Ученые строили зависимость обеих пропусканий и холловского сопротивления от приложенного магнитного поля при различных температурах. Сильнее всего эффект квантования проявил себя при гелиевых температурах (а именно при 1,8 кельвин). Так, в отсутствие магнитного поля вращение поляризации равнялось нулю, но по достижению нескольких сотен миллитесл оно достигало значения, примерно равного 1/137 радиан. При этом возникал характерный гистерезис этого угла при изменении направления магнитного поля, связанный с гистерезисом намагниченности.

Примечательно, что скачок холловского сопротивления не превышал шести килоом при самых холодных условиях, что все еще меньше, чем фундаментальный квант сопротивления, равный 26 килоом. Это свидетельствует о различии в механизмах оптического и статического эффектов Холла. В то время как последний основан на одномерных проводящих каналах на краях образца, терагерцовое излучение не задействует этот механизм, поскольку физики фокусировали его в пятно диаметром пять миллиметров в середине образца.

Конечно, предложенный метод не может конкурировать по точности с астрономическими и даже лабораторными измерениями, поскольку здесь относительные погрешности составляют порядка одной сотой. Тем не менее, опыт важен для понимания природы эффекта Холла в оптическом режиме. Вместе с тем в твердых телах электромагнитное взаимодействие может сильно модифицироваться. Мы уже рассказывали, как в спиновых льдах постоянная тонкой структуры может эффективно вырасти в десять раз.