Туннелирование анионов в квантовой жидкости Латтинжера

Квантовый мир продолжает преподносить сюрпризы, бросая вызов нашим привычным представлениям о поведении материи. Одной из самых загадочных страниц этой истории стали электроны, запертые в двумерных системах под воздействием мощных магнитных полей. Здесь они перестают вести себя как отдельные частицы, образуя коллективные квантовые состояния с удивительными свойствами — так называемые дробные квантовые холловские жидкости. В этих экзотических условиях рождаются квазичастицы, несущие дробный заряд и подчиняющиеся необычной статистике, что десятилетиями интриговало физиков.

Теоретический фундамент для понимания этих явлений был заложен в 1990-х годах теорией жидкости Латтинжера, предсказавшей специфические коллективные движения дробных возбуждений. Однако экспериментальное подтверждение теории оставалось неубедительным до недавнего исследования команды Университета Пердью.

Ученые сосредоточились на проверке ключевого предсказания — универсального анионного туннелирования в состоянии Холла с фактором заполнения n=1/3. Используя усовершенствованные гетероструктуры с «экранирующим колодцем», они преодолели проблему реконструкции края, мешавшую предыдущим экспериментам.

Критически важным элементом эксперимента стало создание квантового точечного контакта — структуры из двух металлических затворов, позволяющей сблизить две встречные краевые моды. Это позволило наблюдать туннелирование анионов с одного края на другой.

Измерения, проведенные при экстремальных условиях — температурах в милликельвины и магнитных полях до 10 Тесла — выявили характерную нелинейную зависимость тока от напряжения, описываемую степенным законом с показателем масштабирования g=1/3. Этот результат идеально совпал с теоретическими предсказаниями.

Значимость работы простирается далеко за рамки подтверждения конкретной теории. Исследователи продемонстрировали, что топологический порядок дробного квантового состояния Холла может быть полностью охарактеризован на единой экспериментальной платформе — интерферометре Фабри-Перо.

Объединив измерения масштабного показателя, заряда аниона и их статистики, ученые получили исчерпывающее описание топологического порядка при n=1/3. Это открывает путь для изучения более сложных состояний, включая гипотетическое неабелево состояние при n=5/2, и вдохновляет на применение аналогичных подходов в исследованиях графена и квантовых спиновых жидкостей.