Группа ученых из Лозанны представила новое устройство на основе графена, которое позволяет измерять необычные электрические заряды — дробные заряды, возникающие в экстремальных условиях квантовой физики, когда электроны перестают вести себя как отдельные частицы.
В стандартных условиях электрон считается неделимым и несет одну единицу элементарного заряда. Однако в двумерных системах под воздействием сильного магнитного поля и при сверхнизких температурах электроны могут объединяться в коллективные состояния. В результате возникают так называемые квазичастицы, которые ведут себя так, будто несут лишь часть заряда электрона. Это одно из основных проявлений дробного квантового эффекта Холла.
Ученые создали прибор из двухслойного графена. С помощью электрического затвора в материале формируется микроскопический энергетический барьер, или «холм», который называют антидотом. Квазичастицы движутся вокруг этого барьера, и при изменении магнитного поля или напряжения они начинают проходить через устройство — туннелировать — через равные промежутки времени. Каждый такой акт вызывает колебание электрического сигнала. Расстояние между этими колебаниями позволяет определить величину заряда частиц. Таким образом, антидот работает как высокочувствительный измеритель.
Эксперименты показали, что в ряде состояний, например 4/3, 5/3 и 7/3, квазичастицы несут заряд, равный одной трети заряда электрона. В состоянии 2/3 был зафиксирован заряд в две трети, а в состоянии 3/5 — три пятых от заряда электрона. Эти числа обозначают разные квантовые состояния Холла, которые соответствуют различным способам заполнения электронных уровней. При этом состояние 8/3 продемонстрировало аномальное поведение: прибор зафиксировал признаки как одиночного, так и двойного электронного заряда, что требует дальнейшего изучения.
Квазичастицы с дробным зарядом считаются отличительной чертой топологической квантовой материи, свойства которой определяются коллективным поведением частиц. Их изучение помогает проверять фундаментальные положения квантовой механики и исследовать экзотические состояния вещества.
Некоторые из таких состояний рассматриваются как потенциальная основа для будущих квантовых вычислительных систем. Предложенная конструкция антидота компактна, управляется электрически и основана на сравнительно простых измерениях проводимости, в отличие от более сложных методов, использовавшихся ранее.
Ученые отмечают, что аналогичный подход может быть применен и к другим двумерным материалам. По словам первого автора работы, опубликованной в журнале Nature Physics, такая геометрия потенциально может использоваться как элемент для создания топологического квантового компьютера.