Европейские физики экспериментально доказали, что вакуумные квантовые флуктуации могут влиять на квантовый эффект Холла. Они показали, что испускание и поглощение поверхностными электронами виртуальных фотонов в условиях резонатора приводит к их скачкам, что нарушает целочисленное квантование холловского магнитосопротивления. Исследование опубликовано в Science.

К сороковым годам прошлого века квантовая механика прочно укрепилась в качестве общепринятой теории, описывающей законы микромира. Дальнейшее развитие физики показало, что это было лишь начало. Открытие и объяснение лэмбовского сдвига потребовало от ученых ввести новые физические сущности — состояния полей, а также правила превращения одних частиц — элементарных возбуждений этих полей — в другие. В конечном итоге это привело к появлению теории поля и объединению трех из четырех фундаментальных взаимодействий в рамках Стандартной модели. 

Сам лэмбовский сдвиг представляется как следствие процессов, которые физики называют квантовыми флуктуациями либо взаимодействием с вакуумом (реже самодействие). В этих процессах начальное и конечное состояние частицы одно и то же, а в промежутке между ними рождаются или уничтожаются виртуальные частицы, в первую очередь виртуальные фотоны. Подробнее о лэмбовском сдвиге и виртуальных фотонах читайте в нашем материале «Щель в доспехах».

Со временем физики пришли к идее о том, что меняя свойства фотонного вакуума, можно управлять свойствами атомов, зависящих от квантовых флуктуаций, например, энергиями уровней или спонтанным излучением. Для этого предлагается использовать резонаторы или фотонные кристаллы. Ряд теоретических работ предложил распространить эту идею на управление коллективными эффектами, такими, как сверхпроводимость, сегнетоэлектричество и сверхизлучение, однако однозначных экспериментальных свидетельств того, что инжиниринг фотонного вакуума способен повлиять на свойства квантовых фаз в твердых телах, до сих пор не существует.

Физики из Франции и Швейцарии под руководством Жерома Фаист (Jérôme Faist) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха провели эксперимент, который убедительно доказывает, что модификация фотонного вакуума способна повлиять на характер квантового эффекта Холла. Исследование поднимает вопрос о том, насколько этот факт может воспрепятствовать использованию квантового эффекта Холла в качестве метрологического стандарта сопротивления.

При движении электронов в магнитном поле возникает сила Лоренца, которая смещает их перпендикулярно скорости. Эффект справедлив и для электрического тока в проводнике, что выражается в появлении холловского напряжения на его краях. Отношение этого напряжения к продольному току, получившее название холловского или поперечного сопротивления, линейно зависит от магнитного поля.

Эта ситуация меняется, если измерять сопротивление Холла в двумерном электронном газе. Тогда с ростом магнитного поля зависимость от него приобретает ступенчатый характер, в пределах которых сопротивление постоянно и равно комбинации физических констант и некоторого целого числа. Это явление получило название квантового эффекта Холла. Сегодня оно чаще всего рассматривается физиками в контексте топологических изоляторов, в которых электрический ток протекает только по поверхности. Из-за топологической защиты дискретный характер холловского сопротивления устойчив к примесям и беспорядку, что делает его перспективным с точки зрения метрологии.

Впрочем, нарушение квантованности сопротивления все же возможно благодаря взаимодействию электронов с вакуумными модами. Ранее один из авторов работы уже показал, что при наличии беспорядка в системе с квантовым эффектом Холла испускание и поглощение виртуального фотона может привести к скачку поверхностного электрона. Для проверки этой гипотезы физики помещали полоску Холла с шестью контактами шириной 40 микрометров, предназначенную для измерений продольного и поперечного сопротивлений, в металлический резонатор с основной частотой равной 140 гигагерц. Система была настроена так, чтобы обеспечить сильную связь между модами резонатора и электронами (частота Раби равна 0,3 частоты резонатора). Эта связь работает даже в том случае, если моды резонатора возбуждаются виртуально.

Авторы сравнили зависимость продольных и поперечных сопротивлений от магнитного поля для двух одинаковых полосок Холла, одна из которых была в резонаторе, а другая нет. Они обнаружили отклонения от целочисленного квантования для образца в резонаторе, особенно ярко выраженные для нечетных плато. Измерение зависимости продольного удельного сопротивления от циклотронной энергии показало, что разница для четных и нечетных ступеней достигает двух порядков. Такая разница возникает из-за того, что в нечетном случае энергия Ферми близка к середине уширенных уровней Ландау.

Для подтверждения универсальности обнаруженного эффекта физики повторили эксперимент для другой геометрии контактов полоски Холла, а также с электронным газом с другими свойствами. Во всех случаях поведение магнитосопротивления оставалось таким же. Они также выяснили, что приближение сверху дополнительной золотой пластины увеличивает эффект, несмотря на то, что такая модификация резонатора уменьшает связь электронов с фотонами. Авторы сделали вывод о том, что в данном случае градиент электрического поля играют более важную роль.

Инжиниринг фотонного вакуума может иметь более фундаментальные последствия, нежели просто изменения атомных или твердотельных процессов. О том, как это может повлиять на периодический закон химических элементов, читайте в нашем блоге «Менделееву и не снилось».

Марат Хамадеев