В квантовом мире привычные правила нередко дают сбой: электрон, считающийся неделимым носителем заряда, способен порождать объекты с дробным зарядом. Это происходит в особых условиях, когда множество электронов, зажатых в двумерной плоскости, попадают под действие сильного магнитного поля при экстремально низких температурах.
В таких обстоятельствах частицы перестают вести себя поодиночке и складываются в упорядоченные квантовые состояния — именно там и рождаются квазичастицы с необычными свойствами. Долгое время изучение этих явлений требовало сложнейших экспериментов, но теперь появился более доступный путь.
Группа исследователей из Федеральной политехнической школы Лозанны под руководством профессора Митали Банерджи предложила изящное решение на базе двухслойного графена. В материале ученые сформировали особую структуру — антидот, своего рода крошечный энергетический холмик. Он работает как чувствительный индикатор: квазичастицы движутся вокруг него по четким траекториям, а при определенных настройках магнитного поля и напряжения начинают преодолевать барьер, вызывая слабые, но измеримые колебания тока. Анализируя периодичность этих колебаний, физики могут точно определить заряд квазичастиц.
В ходе работы команда зафиксировала дробные заряды в нескольких состояниях квантового эффекта Холла, например, частицы с зарядом в одну треть и две трети от заряда электрона в состояниях 4/3, 5/3, 7/3 и 2/3, а также в состоянии 3/5. Особый интерес вызвало состояние 8/3: прибор показал одновременно признаки двух разных дробных зарядов, что может указывать на сложную структуру краевых состояний или на разные механизмы прохождения частиц.
Такой подход открывает новые возможности: устройство компактно, легко настраивается электрически и опирается на простые измерения проводимости. Кроме того, методику потенциально можно перенести и на другие двумерные материалы, расширив спектр изучаемых экзотических состояний. А поскольку дробные квазичастицы — признак топологической квантовой материи, их исследование не только проверяет фундаментальные идеи квантовой механики, но и прокладывает путь к будущим квантовым технологиям.
Та же геометрия может быть использована в качестве строительного блока для создания топологического квантового компьютера
Ранее Наука Mail рассказывала, что физики впервые продемонстрировали новый тип квантового взаимодействия ионов.