Eksperimenter viser, at kanter ikke er nødvendige for at realisere en usædvanlig kvanteeffekt

Fractional quantum Hall (FQH)-effekten er et eksotisk kvantefænomen, der opstår, når et todimensionelt elektronsystem udsættes for et stærkt magnetfelt ved meget lave temperaturer. I denne effekt begynder elektronerne at opføre sig, som om de har en brøkdel af ladningen af ​​en elektron, hvilket giver anledning til bemærkelsesværdig fysik. Mens kanter traditionelt er blevet betragtet som afgørende for at realisere FQH-effekten, på grund af deres rolle i at begrænse elektronerne, har nyere teoretiske forslag foreslået muligheden for at realisere FQH-effekten selv i kantfrie systemer. En sådan teoretisk mulighed er dannelsen af ​​FQH-dråber i bulken uden nogen kanter, hvilket fører til en fase kendt som den "flydende FQH-fase".

Her udførte holdet, ledet af professor Kenji Watanabe, professor Takashi Taniguchi og lektor Makoto Koshino, lavtemperatur-transporteksperimenter på en ny klasse af todimensionelle materialer, kendt som snoet dobbeltlagsgrafen. Ved at studere de elektroniske egenskaber af disse materialer under høje magnetiske felter fik holdet et vigtigt gennembrud. De opdagede en bemærkelsesværdig isoleringsfase, som udviser en uventet kvantiseret Hall-ledningsevne, karakteristisk for FQH-effekten, men uden tilstedeværelsen af ​​nogen mærkbare kanter.

Holdet udelukkede også alternative forklaringer på den observerede kvantificerede Hall-ledningsevne, inklusive dem, der involverer topologiske isolatorer. Deres resultater understøtter stærkt de teoretiske forudsigelser af den flydende FQH-fase, hvilket bekræfter, at kanter faktisk ikke er nødvendige for at realisere FQH-effekten.

Ud over dens grundlæggende betydning har opdagelsen potentielle implikationer for udviklingen af ​​nye elektroniske enheder. Kantfrie FQH-faser tilbyder en ny platform til at udforske eksotiske fraktionerede kvanteexcitationer og kan potentielt føre til udviklingen af ​​nye typer elektroniske enheder, såsom felteffekttransistorer og kvante Hall bar-strukturer, uden at være afhængig af kanter.

Forskningen giver overbevisende beviser for den kantfrie FQH-effekt, der åbner nye veje til at udforske fundamentale kvantefænomener og fremme vores forståelse af kondenseret stofs fysik.

Undersøgelsen blev offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Nature.