Мікрохвильові фотони виявляють дробовий заряд e3 або e5 будь-яких аніонів
Електрон - це елементарна частинка, що несе елементарний заряд "е", основна константа у фізиці. Однак у обмеженому двовимірному провіднику, що зазнає напруженого магнітного поля (10 Тл), електрони можуть організуватися в новий топологічно корельований квантовий стан, де електричний струм може переноситися дробовими зарядами: e/3, e/5…. Ні ферміони (як електрони), ні бозони (як фотони), ці штучні елементарні частинки не називаються аніонами, оскільки, як вважають, вони підпорядковуються "дробовій квантовій статистиці". Деякі різновиди айонів можуть бути використані для "топологічних квантових обчислень", де квантова інформація несеться через чітко визначені стани (кубіт), оскільки топологічно захищені.
Команда з SPEC CEA у співпраці з лабораторією Кавендіша в Кембриджі (Великобританія) для розробки матеріалу показала, що можна спостерігати та маніпулювати будь-якими частками дробового заряду e * = e/3 або e/5, використовуючи мікрохвильові фотони частота f. Це демонструється спостереженням за наявності поляризації V та мікрохвильового поля частоти f надмірного шуму з фотографією, виміряного за пороговою напругою VJ, заданою співвідношенням Джозефсона: e * VJ = hf. Ці результати опубліковані в журналі "Science".
Вимірювання цього порогу приносить нове оригінальне визначення дробового заряду аніонів. Це також свідчить про те, що будь-які куточки можуть поглинати або випускати фотони, що відкриває шлях для їх вирішених у часі маніпуляцій та спроб висвітлити їх дробову статистику.
У двовимірному світі набір елементарних частинок був би набагато багатшим, оскільки, крім ферміонів або бозонів нашого звичного тривимірного світу, існувала б можливість об'єктів, що підкоряються нескінченності проміжної квантової статистики (або статистики аніонічний згідно з терміном, що утворюється від складного слова "Any-ons") [1]. Існування бозонів і ферміонів є результатом властивостей симетрії збірки цих частинок: під час обміну двома частинками загальна хвильова функція бачить свою фазу незмінною (фазовий зсув = 0), якщо частинки є бозонами, або їй призначена фаза коефіцієнт e iπ = -1 для ферміонів за погодженням із тривимірними спостереженнями. Однак у вимірах 2 і для тієї ж операції обміну фазовий коефіцієнт e iθ може приймати будь-яке значення, θ є "статистичним кутом", значення якого визначає конкретний аніонний статистичний розподіл.
Протягом останніх 30 років фізики конденсованої речовини вивчали двовимірні електронні системи, утримуючи електрони в площині на межі розділу двох напівпровідників. Дуже швидко спостерігались нові несподівані електронні квантові фази при низькій температурі в присутності зовнішнього магнітного поля. Спочатку це був весь ефект Квантового Холла [2], коли еволюція як функція напруженого прикладеного поля опору Холла при низькій температурі вже не еволюціонує лінійно, а представляє кількісно виражені плато, настільки точні, що вони породили новий стандарт опору: Кліцінг.
Експериментальна установка: двовимірний провідник занурений в напружене магнітне поле (
10 Т). Два електроди створюють точковий квантовий контакт в центрі, де пряма напруга VDC генерує дробовий заряд будь-якого струму. Проходження зарядів є стохастичним, в результаті виникає електричний шум, пропорційний струму та величині заряду. Саме аналіз цього шуму дозволив показати існування дробових зарядів.
Додаючи до прямої напруги мікрохвильову напругу VHF (t) на частоті f, ми спостерігаємо додатковий електричний шум, який виникає за межею напруги VJ = +/- hν/e *, що забезпечує нове вимірювання, незалежне від дробового заряду і виявляє можливість поглинання/випромінювання мікрофонів НВЧ будь-якими процесами.
У більш сильному полі з'явилися ще більш дивовижні фази, де провідність Холла стає часткою одиниці провідності (обернена до опору) [3]. У цьому режимі, який називається дробовим квантовим ефектом Холла, струм може передаватися квазічастинками, що несуть дробовий заряд e * = e/m, m = 3 або 5, ... залежно від умов експерименту. Як і кварки, дробові заряди e/m не можуть відокремлюватися у вакуумі і повинні залишатися в двовимірній електронній рідині. Але на відміну від кварків, які є ферміонами, ці об'єкти є айонами, що мають статистичний кут π/м. Пошук способу маніпулювання цими будь-якими способами, щоб спробувати висвітлити їх дрібну статистику, є експериментальним завданням, перший крок якого щойно успішно зроблений дослідниками SPEC. Окрім цього прориву, слід також зазначити, що айони - це не лише теоретична цікавість, а й відкриває потенційний новий шлях квантових обчислень на основі їх маніпуляцій.
Експериментальний пристрій і принцип вимірювання:
В принципі, проведений експеримент полягає в аналізі електричного шуму, пов'язаного з дуже слабким електричним струмом. Цей струм повинен бути достатньо низьким, щоб заряди могли проходити через провідник окремо, створюючи постріл шуму, амплітуда якого характерна для навантаження на носії.
Для цього в лабораторії Кавендіша в Кембриджі (Великобританія) методом епітаксійного росту проводили напівпровідниковий гетероперехід AsGa/As (Al) Ga з високою рухливістю. З використанням засобів нановиробництва SPEC протруювання отримують провідник шириною в кілька десятків мікрон. Додаються контакти для нагнітання та вимірювання струму, а також пара електростатичних сіток, поляризація яких дозволяє регулювати ширину провідного звуження в центрі зразка, утворюючи контакт квантової точки (QPC).
Для позбавлення від теплових шумів зразок охолоджують до 20 мК у розчиннику і піддають дії сильного перпендикулярного магнітного поля близько 11 Т. Сильне магнітне поле вимагає, щоб струм поширювався лише в каналах по краях зразок, у напрямку, накладеному знаком поля. Ядро провідника, яке не проходить через будь-який макроскопічний струм, утворює топологічний ізолятор Холла. Напруга V вводить струм, що падає, який розділяє на рівні CPQ на невідхилений (переданий) струм і "відбитий" струм між протилежними каналами. У разі дуже низького відбиття струму, відбитий струм є результатом рідкісного і некорельованого перенесення e * зарядів. Статистика Пуассона, яка є відношенням поточного шуму, або шуму Шотткі, і середнього струму дає пряму міру заряду обмінюваних квазічастинок.
Перші вимірювання полягали, перш за все, у відтворенні результатів, отриманих тією ж командою двадцять років тому [4], під час першого виявлення дробових зарядів (e/3). Тоді новий пристрій дозволив розширити спостереження на ще менші частки заряду: e/5 [5].
Обробка дробових зарядів:
Але саме доказ емісії чи поглинання фотонів будь-якими основними новинками цього дослідження. Ця взаємодія забезпечує другий метод вимірювання для підтвердження реальності цих дробових збуджень. Це також відкриває шлях для контрольованого вирішення будь-яких маніпуляцій у часі. Для цього періодична напруга мікрохвильової частоти f (кілька десятків ГГц) накладається на постійну напругу V, що вводить струм у провідник. При робочій температурі (20 мК) квант енергії hf набагато перевищує теплову енергію. Потім вимірювання електричного шуму, подібні до попередніх, виявляють додатковий шум, який називається фотодопомогою, який свідчить про чутливість квазічастинок до фотонів. Шум із фотографією з’являється, коли подана напруга постійного струму перевищує поріг VJ, такий що e * VJ = ± hf [5]. Перевірка цього дробового співвідношення Джозефсона засвідчує, що заряди e *, прискорені в потенціалі V, можуть ефективно поглинати або випускати кванти hf.
Вимірювання надлишкового електричного шуму, спричиненого наявністю мікрохвильового поля частоти f, як функція прикладеної прямої напруги VDC показує поріг VJ, який дає вимірювання дробового заряду e *, через співвідношення Джозефсона: VJ = hf.
Вимірювання шуму за допомогою фотографії, що перевіряють співвідношення Джозефсона, таким чином дають нове вимірювання дробових зарядів у відповідності з тими, що базуються на зернистості (шум Шотткі) постійного струму. Цей новий експеримент підтверджує реальність дробових збуджень заряду. Їх маніпуляції мікрохвилями дозволяють розглянути можливість реалізації будь-яких джерел будь-якого часу на запит (аналог джерел фотонів) на основі левітонів (поточний імпульс лоренцевої форми) [6]. З такими джерелами стає можливим за допомогою двоніонної інтерферометрії виділити будь-яку статистику.
[1] "До теорії однакових частинок",
J.M. Leinaas та J.Myrheim, Nuovo Cimento B37, 1-23 (1977).
Ф. Вільчек, Фіз. Рев. Літ. 49, 957 (1982).
[2] "Новий метод визначення високої точності константи тонкої структури на основі квантованого опору Холла"
К. проти. Klitzing, Фізичні оглядові листи 45(6) (1980) 494.
[4] "Спостереження за дробово зарядженою квазічастинкою Лафліна e/3"
L. Saminadayar, D.C Glattli, Y. jin and B. Etienne, Phys. Преподобний Lett. 79, (1997) 2526.
[5] "Співвідношення Джозефсона для дробово заряджених айонів"
М. Капфер, П. Рулло, М. Сантін, І. Фаррер, Д. А. Річі та Д. С. Глаттлі, журнал НАУКИ, 24 січня 2019 р., Див. Також Arxiv 1806.03117 (червень 2018 р.).
[6] "Стани мінімального збудження для електронної квантової оптики з використанням левітонів"
Ж. Дюбуа, Т. Джульєн, Ф. Портьє, П. Рош, А. Каванна, Ю. Джин, В. Вегшайдер, П. Рулло і Д. К. Глаттлі, Nature 502 (2013) 659.