Горячая ловушка для холодных квантов: как приручить эффект Холла

Группа физиков разработала необычный метод исследования одного из самых загадочных явлений квантового мира. Речь идет о дробном квантовом эффекте Холла, который возникает в особых условиях: при сверхнизких температурах в тончайшем слое электронов, помещенном в мощное магнитное поле. В этот момент происходит удивительная трансформация - электроны, обычно действующие как отдельные частицы, начинают двигаться согласованно, будто разделившись на более мелкие составляющие с дробным зарядом.

И именно этот эффект может лечь в основу топологических квантовых компьютеров нового поколения. В отличие от существующих систем, они должны обладать встроенной защитой от ошибок благодаря особым свойствам квантовых состояний. Кроме того, понимание механизма этого явления открывает путь к созданию принципиально новых материалов с уникальными характеристиками.

Традиционно для обнаружения дробного эффекта Холла применялось измерение электрического сопротивления материала. Теперь же исследователи предлагают принципиально иной подход, основанный на термоэлектрических свойствах. Суть метода в том, что при создании разницы температур между двумя участками проводника возникает электрическое напряжение - то есть термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). Электроны как бы стремяться перейти из нагретой области в холодную.

Измерение термоЭДС позволяет определить энтропию системы - фундаментальную характеристику, описывающую степень упорядоченности частиц. При дробном квантовом эффекте Холла энтропия напрямую связана с необычным поведением электронов.

Для экспериментов использовался двухслойный графен с бернальской укладкой - структурой, где шестиугольные решетки атомов углерода в соседних слоях частично перекрываются.

Механизм оказался настолько чувствительным, что позволил зафиксировать тончайшие проявления дробного эффекта Холла, недоступные для традиционных методик. Это открытие не только расширяет возможности изучения квантовых состояний в графене и других современных материалах, включая структуры с муаровым узором, но и приближает создание принципиально новых вычислительных систем.

Теперь перед учеными стоит задача выяснить, можно ли применить термоэлектрический метод для поиска и исследования других экзотических квантовых состояний материи, существование которых пока только предполагается теоретически.