Высвобождение экзотических состояний материи: RIKEN доказывает, что края не нужны

Автор: RIKEN, 5 июня 2023 г.

Физики RIKEN продемонстрировали уникальное квантовое состояние, называемое квантовым аномальным эффектом Холла, в дискообразном устройстве, доказав, что краевые состояния не являются необходимыми для этого процесса. Команда продемонстрировала накачку заряда Лафлина в квантово-аномальном изоляторе Холла, используя слоистый диск в форме пончика, состоящий из различных магнитных топологических изоляторов. Это открытие расширяет возможности открытия новых электронных явлений в таких материалах.

Вопреки ожиданиям, эксперименты показывают, что для реализации необычного квантового эффекта ребра не нужны.

Физики RIKEN впервые создали экзотическое квантовое состояние в устройстве с дискообразной геометрией, показав, что края не требуются. Эта демонстрация открывает путь к реализации других новых электронных поведений.

Физика уже давно отошла от трех классических состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного. Лучшее теоретическое понимание квантовых эффектов в кристаллах и разработка передовых экспериментальных инструментов для их исследования и измерения открыли целый ряд экзотических состояний материи.

Ярким примером этого является топологический изолятор: своего рода кристаллическое твердое тело, свойства которого на его поверхности совершенно другие, чем у остального материала. Наиболее известным проявлением этого является то, что топологические изоляторы проводят электричество на своей поверхности, но изолируют внутри.

Другое проявление — так называемый «квантовый аномальный эффект Холла».

Известный уже более века традиционный эффект Холла возникает, когда электрический ток, текущий через проводник, отклоняется от прямой линии под действием магнитного поля, приложенного под прямым углом к току. Это отклонение создает напряжение на проводнике (и соответствующее электрическое сопротивление).

В некоторых магнитных материалах это явление может возникать даже при отсутствии магнитного поля, что называется аномальным эффектом Холла.

«Аномальное сопротивление Холла может стать очень большим в топологических изоляторах», — объясняет Минору Кавамура из Центра исследований эмерджентной материи RIKEN. «При низких температурах аномальное сопротивление Холла увеличивается и достигает фундаментального значения, тогда как сопротивление вдоль направления тока становится нулевым». Это квантовый аномальный эффект Холла, который впервые наблюдался в лаборатории почти десять лет назад.

Теперь Кавамура и его коллеги продемонстрировали эффект, известный как накачка заряда Лафлина, в квантовом аномальном изоляторе Холла.

Команда изготовила диск в форме пончика, сделанный из слоев различных магнитных топологических изоляторов (рис. 1). Затем они измерили, как электрический ток через устройство реагирует на переменное магнитное поле, создаваемое металлическими электродами на внутренней и внешней кривых пончика.

Исследователи заметили, что это поле привело к накоплению электрического заряда на концах цилиндра. Это Лафлиновская накачка заряда.

В предыдущих демонстрациях квантово-аномальных изоляторов Холла использовались прямоугольные устройства с ребрами, соединяющими электроды. Считалось, что электронные состояния на этих краях имеют решающее значение для поддержания квантового аномального изолятора Холла.

Но вывод команды опровергает это предположение. «В нашей демонстрации Лафлиновой накачки заряда в квантово-аномальном изоляторе Холла используется устройство в форме диска без краевых каналов, соединяющих два электрода», — говорит Кавамура. «Наш результат повышает вероятность того, что в квантово-аномальных материалах Холла могут быть реализованы и другие захватывающие электронные явления».

Reference: “Laughlin charge pumping in a quantum anomalous Hall insulator” by Minoru Kawamura, Masataka Mogi, Ryutaro Yoshimi, Takahiro Morimoto, Kei S. Takahashi, Atsushi Tsukazaki, Naoto Nagaosa, Masashi Kawasaki and Yoshinori Tokura, 19 January 2023, Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"Nature Physics.DOI: 10.1038/s41567-022-01888-2/p>