Физики измерили четверть заряда электрона у квазичастиц
Два почти одинаковых устройства в разных лабораториях дали один и тот же результат — заряд e/4.
Работа опубликована 22 сентября в Physical Review Letters. Исследователи из Института Вейцмана, EPFL и Принстонского университета изучали дробный квантовый эффект Холла при факторе заполнения ν = 1/2 — состояние двумерной электронной системы в сильном магнитном поле. Экспериментальные измерения проводили на двух одинаковых устройствах: одно — в Институте Вейцмана, второе — в EPFL; группы работали на отдельных установках.
Электроны были заключены в 70-нанометровую квантовую яму GaAs/AlGaAs. При магнитном поле около 12 тесла система образует состояние ν = 1/2. В центре каждого образца находился сформированный травлением квантовый точечный контакт — узкое место, где часть движущихся вдоль края квазичастиц можно контролируемо рассеять.
Именно это рассеяние позволяет оценить заряд. Поток через квантовый точечный контакт идёт не идеально ровно: отдельные носители создают дробовой шум, или shot noise. По зависимости величины этого шума от тока и пропускания контакта исследователи восстанавливают эффективный заряд переносчиков.
Перед основным измерением метод проверили на состояниях с известным ответом: для ν = 3 получили заряд, согласующийся с e, а для ν = 2/3 — с 2e/3. Затем два устройства дали почти одну цифру уже при ν = 1/2: (0,250 ± 0,013)e и (0,249 ± 0,018)e. В пределах экспериментальной погрешности оба результата совпадают с e/4.
Сам дробный заряд для квантового эффекта Холла не нов. В 2008 году заряд e/4 измеряли при факторе заполнения ν = 5/2. Новизна нынешней работы — в надёжном измерении e/4 для состояния ν = 1/2 в широкой квантовой яме, топологический порядок которого остаётся предметом исследований.
Это одновременно и главный предел результата. Заряд e/4 ожидается как для абелева состояния Halperin 331, так и для неабелева Pfaffian-подобного порядка. Поэтому измерение не различает эти варианты и не доказывает неабелевую статистику квазичастиц. Оно фиксирует параметр, которому должны соответствовать обе конкурирующие картины.
Интерес к неабелевым состояниям связан с топологическими квантовыми вычислениями: в теории результат операций определяется порядком обмена квазичастицами, а информация может быть закодирована нелокально и потому лучше защищена от части локальных ошибок. Авторы не утверждают, что такая вычислительная платформа уже создана. Среди следующих проверок они называют тепловой транспорт, интерференционные эксперименты и braiding во временной области.
«ИЗНАНКА» ранее рассказывала о другом направлении квантовых вычислений — 70-кубитной ионной системе, созданной в ФИАН. В новом эксперименте речь не о готовом компьютере, а о проверке физической платформы, которая теоретически может оказаться полезной для совсем другого, топологического подхода.
Измерение e/4 не закрыло спор о природе состояния ν = 1/2, а сузило его. Теперь конкурирующие модели должны объяснять одну и ту же наблюдаемую величину, а решающим станет не размер заряда, а то, как эти квазичастицы ведут себя при обмене и интерференции.
Фото: редакция ИЗНАНКИ.
