O stare cuantică rară dezvăluie particule cu sarcină de un sfert de electron
Sarcina unui electron este, în mod normal, fixă, asemenea unei monede care nu poate fi ruptă în bucăți. Însă, atunci când electronii sunt răciți aproape de zero absolut și captați într-un strat bidimensional sub un câmp magnetic puternic, aceștia se organizează într-o stare colectivă de „cvasi-particule” care par să dețină doar o fracțiune din sarcina unui electron. Această stare este cunoscută sub numele de „efect Hall cuantic fracționar”.
Un număr mic dintre aceste stări, cunoscute drept „stări cu numitor par”, au atras atenția deoarece unele teorii prevăd că ar putea conține cvasi-particule neobișnuite numite „anioni non-abelieni”. De ce sunt acestea interesante? Pentru că proprietățile lor cuantice le fac candidate pentru stocarea și procesarea informațiilor în computere cuantice topologice tolerante la erori.
Acum, oameni de știință din grupurile conduse de Mitali Banerjee la EPFL, Moty Heiblum la Institutul de Științe Weizmann și Mansour Shayegan la Universitatea Princeton au studiat o astfel de stare, cunoscută sub denumirea de starea Hall cuantică fracționară ν = 1/2. Aceasta se formează într-un strat larg de arseniură de galiu, un material folosit în optoelectronică, comunicații wireless și chiar panouri solare. Lucrarea lor este publicată în Physical Review Letters.
„Pentru prima dată în istoria acestui domeniu, două grupuri diferite (Weizmann și EPFL) au măsurat aceleași valori ale sarcinii fracționare”, spune Banerjee.
Cercetătorii și-au propus să răspundă la o întrebare fundamentală despre starea ν = 1/2: ce sarcină poartă cvasi-particulele sale? Pentru a afla, au studiat electroni confinați într-un strat de arseniură de galiu cu lățimea de 70 de nanometri. Fiecare dispozitiv conținea o constricție îngustă numită „contact punctual cuantic”. Constricția le-a permis cercetătorilor să împrăștie parțial cvasi-particulele care se deplasau prin dispozitiv și să măsoare „zgomotul de împușcătură” rezultat. Când curentul circulă prin contactul punctual cuantic, purtătorii individuali de sarcină trec printr-un mod aleatoriu, cu opriri și porniri, asemenea ploii care lovește un acoperiș. Mărimea „zgomotului” electric rezultat dezvăluie câtă sarcină transportă fiecare purtător.
Cercetătorii au construit contactul punctual folosind o metodă distinctivă de gravare, apoi au depus porți metalice în jurul acestuia pentru a regla fin cantitatea de curent care putea trece. Au testat două dispozitive aproape identice în două laboratoare diferite (unul la EPFL și unul la Institutul Weizmann) și au confirmat mai întâi că metoda lor funcționează, măsurând stări cunoscute cu sarcini de un electron întreg și de două treimi dintr-un electron. Când au aplicat aceeași tehnică stării ν = 1/2, ambele dispozitive au dat același răspuns: particulele purtau o sarcină foarte apropiată de un sfert din sarcina unui electron (0,250 ± 0,013 într-un dispozitiv și 0,249 ± 0,018 în celălalt). Ambele măsurători corespund unui sfert din sarcina unui electron, sau e/4.
„Acest lucru este important deoarece starea Hall cuantică studiată aici este specială, întrucât supraviețuiește până la câțiva kelvini și se crede că este doar a doua stare cunoscută în arseniura de galiu care posedă proprietăți non-abeliene speciale, ce ar putea permite în cele din urmă un computer cuantic topologic”, spune Banerjee. „Stările non-abeliene acționează ca o schemă structurală, în care informația este stocată în geometria globală, mai degrabă decât într-un singur punct, asigurând imunitate față de defectele structurale locale sau zgomot. Deplasând pur și simplu astfel de particule una în jurul celeilalte, putem crea computere cuantice fără erori.”
