Группа исследователей из Вашингтонского университета представила устройство, способное проводить электричество по частично заряженным краям без потерь энергии в виде тепла. Работа опубликована в журнале Nature Physics и стала первой демонстрацией дробного изолятора Черна без диссипации — состояния вещества, перспективного для квантовых технологий.
Квантовый эффект Холла возникает в двумерных материалах при экстремально низких температурах и сильных магнитных полях: напряжение в материале возрастает дискретными скачками перпендикулярно направлению тока. В еще более экстремальных условиях проявляется квантовый дробный эффект Холла: электроны движутся коллективно, создавая скачки напряжения, соответствующие долям электрона.
Особое внимание уделено дробным черновым изоляторам, демонстрирующим дробно‑квантованный холловский сигнал при нулевом магнитном поле. Хотя такие изоляторы были предложены больше 10 лет назад, дробный квантовый аномальный эффект Холла впервые экспериментально показали только в 2023 году. Для этого использовали устройства из двух слоев дителлурида молибдена, скрученных под точно подобранным углом.
В новой работе ученые решили проблему сохраняющегося сопротивления (рассеивания энергии), повысив качество устройств. Во‑первых, горизонтальный рост кристаллов на порядок увеличил подвижность носителей заряда. Во‑вторых, ученые доработали процесс изготовления, уменьшив разброс углов скручивания.
Исследователи добились почти полного исчезновения сопротивления, когда электронная зона заполнена на две трети.
К нашему удивлению, мы обнаружили, что щель тепловой активации дробного состояния быстро уменьшается по мере увеличения магнитного поля, а затем выходит на плато при достижении определенной напряженности магнитного поля. Это отличает его от сверхтекучих квантовых состояний, где для формирования состояния требуется магнитное поле, которое еще больше увеличивает энергетическую щель при повышении напряженности
Кроме того, в улучшенных устройствах обнаружился необычный эффект: термоактивационная щель сначала уменьшается при усилении магнитного поля, а потом перестает меняться. Скорее всего, это происходит из-за «соперничества» между разными типами возбуждений электронов (по спину и заряду).
Как отмечают ученые, за последние десятилетия прорывы в изучении квантового эффекта Холла достигались за счет улучшения качества образцов, и ожидают еще более мощного прогресса на новой платформе.
Ранее Наука Mail рассказывала, что ученые скрутили крошечные кристаллы, чтобы управлять электричеством.
