Схема устройства, использованного в эксперименте. Возвратный квантовый эффект Холла, при котором электрическое сопротивление меняется взад и вперед при увеличении магнитного поля, является признаком аномалии четности.
Фото: Ли-Сянь Ван / Университет Вюрцбурга.

Топологические изоляторы — это материалы, которые могут проводить электричество, но только по своей поверхности или по краям. Внутри них ток не течет. Они являются предметом интенсивных исследований во всем мире, поскольку обладают уникальными электронными свойствами, которые могут повысить эффективность, например, квантовых компьютеров и использоваться для других технологий, таких как шифрование и безопасная передача данных.

Исследователи из Института топологических изоляторов и Института теоретической физики и астрономии Университета Юлиуса-Максимилиана Вюрцбурга (JMU) теперь представляют необычный квантовый эффект Холла, который наблюдался на микроскопическом устройстве, изготовленном из топологического изоляционного материала теллурида ртути (HgTe). Их выводы опубликованы в журнале Advanced Science.

Четкое экспериментальное наблюдение

В устройстве из теллурида ртути электроны на верхней и нижней поверхностях ведут себя как релятивистские частицы Дирака. Как предсказано, но не подтверждено экспериментально физикой элементарных частиц, частицы Дирака должны подвергаться так называемой аномалии четности. В твердотельных экспериментах аномалия четности приводит к эффекту, называемому спектральной асимметрией, который можно измерить как необычное изменение электрического сопротивления.

«Аномалия четности предсказывалась в твердотельных материалах с 1980-х годов. Известным теоретическим предложением является модель, предложенная Холдейном (Нобелевская премия по физике в 2016 году). Мы определили еще одно следствие аномалии четности, которое является первым тот, который подлежит экспериментальной проверке», — говорит профессор Эвелина Ханкевич.

Эффект не специфичен только для теллурида ртути

Физики JMU реализовали эту двумерную физику Дирака на одной поверхности трехмерного топологического изолятора. «Мы наблюдаем нетрадиционный возвратный квантовый эффект Холла, который может быть напрямую связан с возникновением спектральной асимметрии в одном топологическом поверхностном состоянии. Эффект является общим для любого топологического изолятора, а не только для теллурида ртути. Универсальность результата вот что делает это занятие таким захватывающим», — говорит доктор Воутер Бёгелинг.

Чтобы реализовать эти новые открытия, пришлось преодолеть две проблемы. Во-первых, необходимо было выявить признак спектральной асимметрии среди других особенностей измеренного электрического сопротивления. Во-вторых, устройством нужно было управлять таким образом, чтобы эффекты от двух поверхностей не компенсировали друг друга.

Высокий уровень контроля позволяет дальнейшие исследования

«Это наблюдение показывает, что высокий уровень контроля, который мы имеем в этом устройстве, позволяет нам исследовать гораздо больше интересных аспектов физики топологических изоляторов, чем раньше», — говорит профессор Лоренс Моленкамп.

Ключевым фактором в достижении точности эксперимента, необходимой для этого наблюдения, было высокое качество материала HgTe, который был произведен на установке молекулярно-лучевой эпитаксии Вюрцбургского института физики. Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) — это метод получения тончайших слоев материала с индивидуальными электронными, оптическими и магнитными свойствами. С помощью MBE можно точно построить слоистые структуры атом за слоем.