Полуквантованный эффект Холла в аксионном изоляторе впервые подтвержден экспериментально

Коллаборация физиков из Китая впервые представила эмпирические доказательства существования полуквантованного эффекта Холла в аксионном изоляторе. Это экзотическое состояние материи, предсказанное теоретическими моделями, долгое время ускользало от объективного наблюдения в лабораторных условиях.

Аксионные изоляторы представляют собой особый класс топологических фаз, где фундаментальные квантовые свойства проявляются не в толще кристалла, а на его границах. Ключевым атрибутом этого состояния является квантованное аксионное поле, которое должно генерировать аномальную проводимость Холла величиной в половину кванта (e²/2h) на поверхности. Однако на практике сигналы от противоположных граней материала обычно нивелируют друг друга, из-за чего эффект десятилетиями оставался «невидимым» для измерительных приборов.

В ходе нового исследования ученым удалось преодолеть этот барьер, сконструировав уникальную магнитную гетероструктуру с помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии. Решающим фактором стало создание асимметрии в уровне Ферми — энергетическом пороге, определяющем мобильность электронов. Благодаря такому подходу одно из поверхностных состояний было надежно изолировано в магнитной щели, в то время как другое перешло в металлический режим, перестав компенсировать основной сигнал.

Подобная архитектура позволила напрямую зафиксировать послойную аномальную проводимость Холла точно в e²/2h. Авторы назвали это явление послойным эффектом Холла (layered Hall effect, LHE). Феномен был стабильно воспроизведен на десяти различных устройствах и сохранял свою устойчивость независимо от ориентации магнитных моментов в слоях, что неоспоримо указывает на его топологическое происхождение.

Данное открытие служит прямым подтверждением полуквантованного граничного отклика, неразрывно связанного с квантованным аксионным полем внутри материала. Работа устраняет один из наиболее существенных пробелов в экспериментальной физике конденсированного состояния и открывает возможности для пространственного управления квантовыми эффектами через прецизионную инженерию материалов.

В рамках современной науки аксионные изоляторы позволяют воссоздать математические модели «аксионной физики» непосредственно в твердотельных системах, прокладывая путь к созданию вычислительных устройств нового поколения.

Фундаментальная ценность полученного результата заключается в расширении арсенала методов управления квантовой материей. Полуквантованный эффект Холла характеризуется исключительной стабильностью и невосприимчивостью к структурным дефектам или внешним помехам. В долгосрочной перспективе это открывает горизонты для создания сверхточных квантовых сенсоров, компонентов спинтроники и систем квантовой электроники, где критически важна абсолютная воспроизводимость сигнала. Исследование доказывает, что сложнейшие квантовые феномены, ранее существовавшие лишь в виде уравнений, теперь могут быть не только реализованы «в железе», но и адресно управляемы на уровне отдельных слоев.

 

Источник: iXBT