-273°C и 100 000 Тесла: физики покоряют новые «этажи» материи

Исследователи из Университета штата Джорджия в США сделали важное открытие в области квантовой физики. Научная группа обнаружила новые состояния материи, изучая поведение электронов в двумерных квантовых системах при экстремальных условиях.

Двумерные квантовые системы представляют собой особые структуры, в которых движение частиц ограничено плоскостью. В таких системах проявляются уникальные квантовые эффекты, не наблюдаемые в трехмерном мире. Ученые создают подобные системы, используя тонкие слои специальных материалов или применяя сильные магнитные поля к электронному газу.

Эксперимент проводился при температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°C), в магнитном поле, превышающем земное в 100 000 раз. Столь экстремальные условия позволили ученым наблюдать необычное поведение квантовых частиц.

Центральным объектом исследования стал дробный квантовый эффект Холла (ДКЭХ), который как раз возникает под воздействием сильного магнитного поля. При ДКЭХ электроны ведут себя как частицы с дробным зарядом: это противоречит общепринятым представлениям о том, что электрический заряд неделим.

Профессор Рамеш Мани, возглавлявший исследование, подчеркнул значимость открытия: «Наши результаты расширяют границы понимания квантовых систем, предлагая новый взгляд на их сложную природу». По словам ученого, в мире ДКЭХ частицы могут проявлять свойства, не укладывающиеся в рамки классической физики.

К изучаемой системе был применен дополнительный ток. Этот шаг привел к неожиданному расщеплению и пересечению состояний ДКЭХ — явлению, которое ранее не удавалось зафиксировать. У. Кушан Виджевардена, сотрудник Университета Джорджии и Государственного университета, отметил: «Мы долго искали объяснение нашим наблюдениям. Полученные результаты оказались настолько необычными, что потребовалось время для их интерпретации».

Для создания двумерной среды со свободно перемещающимися электронами исследователи использовали высокоподвижные полупроводниковые компоненты из арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия.

Профессор Мани образно сравнил традиционное изучение дробных квантовых эффектов Холла с исследованием первого этажа здания. «Наша работа — это попытка подняться на верхние этажи, те захватывающие, неизведанные уровни. Мы стремимся понять, как они устроены и какие новые явления там можно обнаружить», — пояснил ученый.

Результаты подобных экспериментов лежат в основе многих современных технологий, включая мобильные телефоны, компьютеры и солнечные батареи. Новые открытия могут привести к созданию еще более совершенных устройств и материалов в будущем.