Квантовая аномалия: Физики зарегистрировали «односторонний» кулоновский эффект
Представьте себе два провода, лежащих рядом, но не касающихся друг друга. По одному пустили ток. Казалось бы, что может произойти со вторым, если он электрически изолирован? А вот и сюрприз: во втором проводе может возникнуть напряжение! Это похоже на то, как если бы вы громко крикнули в одной комнате, а в соседней, за стеной, слегка задрожали бы стёкла. Физики называют это явление кулоновским увлечением — один поток зарядов как бы «тащит» за собой другой через пустоту, используя дальнодействующие электрические силы. Такой вот электрический «сквозняк».
До недавнего времени считалось, что этот «сквозняк» дует одинаково в обе стороны. Но недавнее исследование группы Хэ Цинлиня из Китая показало: в некоторых экзотических материалах всё может быть совсем иначе. Они впервые наблюдали невзаимное кулоновское увлечение. Проще говоря, «сквозняк» предпочитает дуть в одну сторону! И это открытие не просто любопытный казус, оно может приоткрыть дверь к новым технологиям, включая квантовые компьютеры.
Материалы с «суперспособностями»: Знакомьтесь, изоляторы Черна
Чтобы понять суть открытия, нужно познакомиться с главными героями — изоляторами Черна. Это не просто куски какого-то вещества. Это магнитные материалы с поистине удивительными свойствами. Их главная «фишка» — способность проводить ток только по краям, по специальным «дорожкам», причём ток по этим дорожкам течёт только в одну сторону! Представьте себе автобан с односторонним движением, только для электронов. Эти краевые каналы называются киральными краевыми состояниями.
Самое интересное, что для проявления этих свойств изоляторам Черна не нужен внешний магнит, как обычным материалам для демонстрации квантового эффекта Холла (это когда в сильном магнитном поле проводимость материала становится строго определённой, «квантованной»). У изоляторов Черна есть свой собственный «встроенный компас» — внутренняя намагниченность. Именно она и диктует электронам правила движения по краям.
До сих пор никто толком не изучал, как кулоновское увлечение ведёт себя в таких вот хитрых магнитных системах. Это была своего рода «терра инкогнита» в физике.
Как «подслушать» квантовое эхо?
Чтобы поймать этот невзаимный эффект, учёным пришлось потрудиться. Они взяли специально выращенный кристалл — сплав висмута, сурьмы и теллура, чуточку «приправленный» ванадием. Этот материал известен тем, что проявляет свойства изолятора Черна даже при относительно высоких (для квантового мира, конечно) температурах.
Затем они создали хитрую конструкцию: две тончайшие полоски этого материала расположили очень близко друг к другу, но разделили их наноразмерным вакуумным зазором. Этот зазор настолько мал, что электрические поля легко «проникают» сквозь него, но настолько велик, что электроны не могут просто «перепрыгнуть» с одной полоски на другую (это называется туннелированием). Таким образом, обеспечивалась чистая кулоновская связь — только взаимодействие через поле, без прямого контакта.
Всю эту конструкцию охладили до сверхнизкой температуры — всего 20 милликельвинов (это чуть выше абсолютного нуля, -273.15 °C). Зачем так холодно? Чтобы унять тепловой «шум» атомов и увидеть тонкие квантовые эффекты во всей красе. Эксперименты проводились также в присутствии магнитного поля, которое помогало управлять квантовыми состояниями материала.
Удивительные находки: Ток, который «помнит» направление
И вот что они обнаружили, измеряя напряжение во второй («пассивной») полоске, когда по первой («активной») пропускали ток:
- Продольное увлечение (когда напряжение измеряется вдоль пассивной полоски) вело себя как выпрямитель. Напряжение возникало всегда одной полярности, независимо от того, в какую сторону тек ток в активной полоске или как было направлено магнитное поле. Словно система пропускала «эхо» тока только в одну сторону.
- Поперечное увлечение (напряжение измеряется поперёк пассивной полоски) оказалось ещё интереснее. Его знак и величина зависели от направления собственной намагниченности материала! Учёные связали это напрямую с теми самыми киральными краевыми состояниями — односторонними «магистралями» для электронов. Похоже, именно взаимодействие через эти уникальные каналы и порождает невзаимность.
Анализ того, как эффект зависит от температуры и приложенного напряжения, подтвердил: дело тут не в простом «шуме», а в глубоких квантовых флуктуациях на мезоскопическом уровне (это масштаб между отдельными атомами и привычными нам макрообъектами).
Зачем нам этот «односторонний сквозняк»?
Хорошо, физики нашли новый забавный эффект. А нам-то что с того? На самом деле, перспективы довольно интригующие.
- Понимание квантового мира: Это открытие — новый инструмент для изучения сложных взаимодействий в магнитных топологических материалах. Оно помогает лучше понять, как ведут себя квантовые частицы и их поля в таких экзотических условиях.
- Квантовые компьютеры: Одна из больших проблем при создании квантовых компьютеров — хрупкость квантовых битов (кубитов). Любое измерение может разрушить их состояние. Кулоновское увлечение предлагает бесконтактный способ «подсмотреть» за состоянием кубита, не прикасаясь к нему напрямую. Это может быть шагом к созданию более стабильных и масштабируемых квантовых систем, особенно тех, что основаны на так называемых майорановских фермионах (ещё одни экзотические частицы, которые считают перспективными для квантовых вычислений).
- Электроника будущего: Невзаимные эффекты — основа для создания устройств вроде диодов, которые пропускают ток только в одну сторону. Обнаружение невзаимности на квантовом уровне, связанной с намагниченностью, может намекнуть на пути создания сверхминиатюрных и энергоэффективных электронных компонентов, управляемых магнитным полем. Возможно, когда-нибудь появятся «киральные» электронные приборы с уникальными свойствами.
Что дальше?
Первое наблюдение невзаимного кулоновского увлечения в изоляторах Черна — это, конечно, только начало. Теперь перед учёными открывается целое поле для исследований: как этот эффект зависит от разных параметров? Можно ли им управлять? Какие ещё сюрпризы таят в себе эти удивительные материалы?
Одно ясно: мир квантовой физики снова подкинул нам загадку, разгадка которой может привести к совершенно неожиданным технологическим прорывам. И наблюдение за этим «электронным сквозняком», дующим лишь в одну сторону, — яркое тому подтверждение.
