物理学家发现分数量子霍尔效应的新现象

Josiah01 · 发表于 2024-8-16 19:23:30

想象一下二维平面世界，而不是我们的三维世界，那里的物理规则被彻底颠覆，像电子这样的粒子出乎意料地揭示了新的秘密。这正是佐治亚州立大学物理学教授 Ramesh G. Mani 和刚获得博士学位的 U. Kushan Wijewardena 等研究人员在佐治亚州立大学实验室进行研究的内容。
他们的研究成果最近发表在《通讯物理学》杂志上。该团队研究了分数量子霍尔效应 (FQHE) 的神秘世界，当以新的方式探测这些系统并突破其通常的界限时，发现了新的、意想不到的现象。
“几十年来，分数量子霍尔效应的研究一直是现代凝聚态物理学的一大焦点，因为平面粒子可以具有多重个性，并可以根据需要表现出与环境相关的个性，”马尼说。“我们的最新发现突破了这一领域的界限，为这些复杂系统提供了新的见解。”
自 1980 年克劳斯·冯·克利青 (Klaus von Klitzing) 报告发现简单的电测量可以非常精确地给出决定宇宙行为的一些基本常数的值以来，量子霍尔效应一直是凝聚态物理学中一个充满活力的关键领域。这一发现使他于 1985 年获得了诺贝尔奖。
1998 年，诺贝尔奖授予了分数量子霍尔效应的发现和理解，该效应表明平面粒子可能具有分数电荷。随着石墨烯的发现，这一旅程仍在继续，这种材料表明平面中可能存在无质量电子，并于 2010 年再次获得诺贝尔奖。
最后，与量子霍尔效应相关的物质新相理论于 2016 年获得了诺贝尔奖。
凝聚态物理学促成了许多发现，使手机、电脑、GPS、LED 照明、太阳能电池甚至自动驾驶汽车等现代电子产品成为可能。目前，凝聚态物理学正在研究平面科学和平面材料，旨在实现更节能、更灵活、更快、更轻的未来电子产品，包括新型传感器、更高效的太阳能电池、量子计算机和拓扑量子计算机。
在一系列极寒条件下的实验中，接近-459°F（-273°C），在比地球强近10万倍的磁场下，Mani、Wijewardena和同事们开始了工作。他们将补充电流施加到由砷化镓（GaAs）和砷化铝镓（AlGaAs）材料制成的夹层结构高迁移率半导体器件中，这有助于在平面中实现电子。
他们观察到所有 FQHE 状态都意外地分裂，随后分裂分支交叉，这使得他们能够探索这些量子系统的新非平衡状态并揭示全新的物质状态。
这项研究强调了瑞士苏黎世联邦理工学院的 Werner Wegscheider 教授和 Christian Reichl 博士制作的高品质晶体在本研究的成功中发挥的关键作用。
“将传统的分数量子霍尔效应研究想象成探索建筑物的底层，”马尼说。“我们的研究是寻找和发现上层——那些令人兴奋的、未探索过的楼层——并找出它们的样子。令人惊讶的是，通过一种简单的技术，我们能够进入这些上层，并发现激发态的复杂特征。”
维耶瓦德纳去年从佐治亚州立大学获得物理学博士学位，现在是米利奇维尔佐治亚学院暨州立大学的一名教员，他对他们的工作感到兴奋。
“我们多年来一直在研究这些现象，但这是我们第一次报告通过施加直流偏压诱导分数量子霍尔态实现激发态的实验结果，”Wijewardena 说。“结果令人着迷，我们花了很长时间才对我们的观察结果找到可行的解释。”
这项研究不仅挑战了现有理论，还表明观察到的非平衡激发态 FQHE 具有混合起源。这种创新方法和出乎意料的结果凸显了凝聚态物理学领域新发现的潜力，激发了未来的研究和技术进步。
该团队的研究成果意义深远，远远超出了实验室的范围，为量子计算和材料科学带来了潜在的启示。通过探索这些未知领域，这些研究人员为未来技术奠定了基础，并培养了新一代学生，这些技术可能会彻底改变从数据处理到能源效率的一切，同时为高科技经济提供动力。
Mani、Wijewardena 及其团队目前正在将研究范围扩大到更极端的条件，探索测量具有挑战性的平地参数的新方法。随着研究的不断推进，他们期待发现这些量子系统中的更多细微差别，为该领域贡献宝贵见解。随着每次实验的进行，团队越来越接近理解其中的复杂行为，并对在此过程中发现新事物的可能性持开放态度。

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