Две независимые лаборатории измерили квазичастицы с четвертью заряда электрона
Физики в двух независимых лабораториях получили практически одинаковый результат при измерении необычного квантового состояния вещества: его квазичастицы переносят заряд, равный примерно четверти заряда электрона. В одном эксперименте измеренное значение составило 0,250 ± 0,013 заряда электрона, во втором — 0,249 ± 0,018. Оба результата соответствуют ожидаемому значению e/4 и усиливают интерес к состоянию, которое потенциально может обладать свойствами, полезными для топологических квантовых компьютеров.
Исследование провели специалисты Федеральной политехнической школы Лозанны, Института Вейцмана и Принстонского университета. Учёные изучали дробный квантовый эффект Холла с коэффициентом заполнения ν = 1/2 в двумерной электронной системе внутри квантовой ямы из арсенида галлия шириной 70 нанометров. Электроны в ней образуют необычное коллективное состояние с распределением заряда, напоминающим двухслойную систему.
Речь не идёт о физическом делении отдельного электрона. Электрон по-прежнему обладает своим обычным элементарным зарядом. Однако при сильном магнитном поле и очень низкой температуре множество взаимодействующих электронов может организоваться в коллективное квантовое состояние. Его возбуждения — квазичастицы — способны вести себя так, словно переносят лишь дробную часть заряда электрона.
Подобные дробные заряды известны благодаря дробному квантовому эффекту Холла. Однако состояние ν = 1/2 относится к особенно интересной группе состояний с чётным знаменателем. Они не укладываются в обычную последовательность многих хорошо изученных дробных холловских состояний и рассматриваются как возможные носители более экзотического топологического порядка.
Чтобы измерить заряд квазичастиц, исследователи использовали узкое сужение в электронной системе — квантовый точечный контакт. Большинство носителей проходило через него, но небольшая часть случайным образом рассеивалась назад. Из-за дискретности переноса заряда электрический ток при этом немного флуктуирует — возникает так называемый дробовой шум.
Амплитуда такого шума зависит от величины заряда отдельного носителя. Поэтому по статистике флуктуаций тока можно определить эффективный заряд квазичастиц, даже если их невозможно напрямую извлечь из материала и измерить как обычные отдельные частицы.
Перед основным экспериментом исследователи проверили метод на состояниях с известными характеристиками. Измерения правильно воспроизвели полный заряд электрона e и известное значение 2e/3 для другого дробного квантового состояния. После этого тот же подход применили к состоянию ν = 1/2.
Особенно существенным стало то, что измерения проводились независимо. Два почти одинаковых устройства находились в разных экспериментальных установках — одно в EPFL, другое в Институте Вейцмана. При слабом обратном рассеянии первый эксперимент дал 0,250 ± 0,013e, а второй — 0,249 ± 0,018e. Разница между ними укладывается в экспериментальную погрешность, а обе величины практически совпадают с e/4.
Авторы считают результат важным ещё и из-за свойств самого состояния ν = 1/2. В отличие от многих других состояний с чётным знаменателем, оно возникает в нижнем уровне Ландау — квантованном энергетическом уровне электронов в магнитном поле. Его энергетическая щель примерно в десять раз больше, чем у широко исследуемого состояния ν = 5/2. Это делает ν = 1/2 сравнительно устойчивой платформой для дальнейших экспериментов.
Теоретический интерес связан с возможными неабелевскими энионами. У таких квазичастиц результат перестановки зависит не только от их конечного положения, но и от последовательности, в которой они перемещались друг вокруг друга. Квантовую информацию в такой системе можно было бы кодировать в глобальном топологическом состоянии нескольких квазичастиц, что потенциально делает её менее чувствительной к локальным шумам и дефектам. Именно на этом принципе основана идея топологического квантового компьютера.
Однако обнаружение заряда e/4 само по себе не подтверждает неабелевскую природу состояния. Авторы прямо указывают, что измеренный заряд согласуется с неабелевским топологическим порядком, но одновременно допускается и абелевскими моделями. Поэтому нынешний эксперимент устанавливает важную характеристику квазичастиц, но не определяет окончательно их квантовую статистику.
Следующим этапом должны стать эксперименты, способные непосредственно проверить топологический порядок и статистику обмена квазичастиц. Один из основных подходов заключается в управляемом перемещении энионов друг вокруг друга — так называемом плетении. Если результат такого процесса будет зависеть от порядка перемещений характерным для неабелевских частиц образом, это станет значительно более прямым свидетельством нужного топологического состояния.
Совпадение двух независимых измерений e/4 создаёт для таких будущих экспериментов надёжную отправную точку. Оно показывает, что дробный заряд является воспроизводимым свойством состояния ν = 1/2, а не особенностью одного конкретного устройства или экспериментальной установки.
Исследование в журнале Physical Review Letters.