Güçlü manyetik alanlar altına yerleştirilen iki boyutlu (2D) sistemlerdeki elektronlar sıklıkla benzersiz şekillerde davranarak fraksiyonel kuantum Hall sıvılarının ortaya çıkmasına neden olur. Bunlar, elektronların kolektif olarak davrandığı ve bir elektronun yükünün yalnızca bir kısmını taşıyan ve olağandışı kuantum istatistiklerine uyan yeni yarı parçacıklar oluşturduğu maddenin egzotik halleridir.
1990’larda fizikçiler, kiral Luttinger sıvı teorisi olarak bilinen ve 2 boyutlu kesirli kuantum Hall durumlarının sınırı boyunca 1 boyutlu kanallarda hareket eden bu kesirli uyarılmaların kolektif hareketlerini tanımlayan bir teoriyi tanıttılar. Bununla birlikte, geçmiş deneysel bulgular her zaman teorik tahminlerle uyumlu değildi.
Purdue Üniversitesi’ndeki araştırmacılar yakın zamanda, fraksiyonel bir kuantum Hall sıvı durumunun ortaya çıktığı bir cihazda 1D kenar modları arasındaki tünellemeyi ölçerek kiral Luttinger sıvı teorisinin bazı tahminlerini daha ileri düzeyde test etmeyi amaçlayan bir çalışma gerçekleştirdiler. Makaleleri şu tarihte yayınlandı: Doğa Fiziğin=1/3 kesirli kuantum Hall durumu için evrensel herhangi bir tünellemenin doğrudan deneysel kanıtını sunarak X.-G tarafından yapılan teorik tahminleri doğruluyor. Wen ve işbirlikçileri 1990’ların başında.
Makalenin kıdemli yazarı Michael Manfra, CEİD’a şöyle konuştu: “Birkaç yıldır grubum, kesirli kuantum Hall rejiminde kesirli yük ve herhangi bir örgü istatistiğini ölçmek için Fabry-Pérot girişimölçerlerini kullanıyor.”
“Kuantum noktası temasları, elektronik bir Fabry-Perot interferometresindeki ‘ışın ayırıcılardır’. Bu cihazlarla başka neleri ölçebileceğimizi düşünmeye başladık. Kesirli bir kuantum Hall etkisi durumunun sınırları etrafında dolaşan kenar modlarının en iyi şekilde ‘kiral Luttinger sıvısı’ olarak tanımlanabileceği ortaya çıktı; tek boyutlu, güçlü bir şekilde etkileşime giren elektron sıvısı, ilk olarak teorisyen X.-G Wen tarafından teorik olarak anlaşıldı.”
Kiral Luttinger sıvıları, onları iyi bilinen Fermi sıvılarından ayıran çeşitli sıra dışı özelliklere sahiptir. Bunlardan en dikkate değer olanlarından biri, normal omik dirençlerde akımın uygulanan voltaja göre doğrusal olarak artmasıyla birlikte, kiral bir Luttinger sıvısında akım ve voltaj arasındaki bağlantının doğrusal olmaması ve güç yasası olarak adlandırılan bir yasa ile tanımlanmasıdır.
Manfra, “Wen’in kiral Luttinger sıvı teorisinin tahminlerinden biri, karşılıklı yayılan iki kenar modu arasında tünel açmayla ilgiliydi” diye açıkladı. “Doldurma faktörü n=1/3 olan kesirli kuantum Hall durumuyla ilişkili kiral bir Luttinger sıvısı için, tünelleme iletkenliğinin, iki karşıt yayılan kenar modu birbirine yaklaştırıldığında bir ölçeklendirme üssü g=n=1/3 ile tanımlanması gerektiğini öngördü.”
Kiral Luttinger sıvı teorisi 1990’ların başlarına kadar uzansa da o zamandan bu yana yapılan deneyler onun tahminlerini kesin olarak doğrulayamadı. Manfra ve meslektaşları, yeni tasarlanmış bir heteroyapıda tünellemeyi ölçerek literatürdeki bu boşluğu doldurmaya çalıştılar.
Manfra, “Bizim fikrimiz, yeni heteroyapı tasarımımızın, kiral Luttinger sıvı özelliklerinin, yani kenarların yeniden yapılandırılmasına ve ideal olmayan davranışa yol açan yumuşak kenar modu sınırlamasının gösterilmesiyle büyük bir zorluğun üstesinden gelebileceğiydi” dedi.
“Tasarımımızın anyonik örgü istatistiklerinin gösterilmesi açısından çok önemli olduğu kanıtlandı, bu nedenle kenar modu tünelleme deneylerine de yardımcı olabileceğini düşündük. Eldeki yeni malzemelerle bu sorunu yeniden ele alma zamanının geldiğini düşündük. Bu sadece bir yıl önce bir spekülasyondu, ancak iyi bir tahmin olduğu ortaya çıktı.”
Deneylerini gerçekleştirmek için araştırmacılar, birbirinden 300 nm uzaklıkta bulunan iki dar metalik kapıdan oluşan bir yapı olan kuantum nokta kontağını kullandılar. Bu yapı, n=1/3 kesirli kuantum Hall durumunun iki karşıt yayılma modunu birbirine yakınlaştırmalarına olanak sağladı.
Manfra, “Bu yapıldığında, herkes bir kenardan diğer kenara tünel açabilir ve hassas amplifikatörlerle ölçebileceğimiz bir tünelleme akımı üretebilir” diye açıkladı. “Tünel iletkenliğinin voltaj ve manyetik alan bağımlılığını inceleyerek, Wen’in kiral Luttinger sıvı teorisi tarafından tahmin edildiği gibi ölçeklendirme üssünün g=1/3 olduğunu tespit edebildik. Bu deneyler, miliKelvin sıcaklıklarda ve yüksek manyetik alanda (B~10Tesla) çok küçük akımları (~ 1 pikoAmp) ölçmemizi gerektirdi.”
Araştırmacılar ölçümlerini, son derece düşük sıcaklıklara ulaşabilen ve özellikle çalışmalarının amacına uygun olarak yapılandırılmış özel bir soğutma cihazı olan seyreltme buzdolabında gerçekleştirdiler. Kullandıkları örneklerin benzersiz bir özelliği, yeni tanıtılan ‘iyi tarama’ heteroyapı tasarımını takip etmeleridir. Bu tasarım sonuçta keskin kenar hapsolmasına yol açarak kiral Luttinger sıvısının özelliklerini deneysel olarak gözlemlenebilir hale getirir.
Manfra, “Bu deneyle, toplu kesirli kuantum Hall durumunun kuantizasyonundan sorumlu topolojik düzenin, bir Fabry-Pérot cihazı kullanılarak tamamen belirlenebileceğini gösterdik” dedi. “Artık ölçeklendirme üssünü, anyon yükünü ve anyonik örgü istatistiklerini tek bir cihaz platformunda ölçtük. Bu, n=1/3’teki topolojik sırayı tamamen belirliyor.”
Bu son çalışma, kesirli kuantum Hall sıvılarının incelenmesi ve henüz kesin olarak doğrulanmamış teorik tahminlerin test edilmesi için yeni olanaklar açmıştır. Gelecekte Manfra ve meslektaşları, n=5/2’deki varsayılan değişmeyen durum gibi diğer ilginç durumları incelemek için aynı deneysel yöntemleri kullanmayı umuyorlar.
Manfra, “Cihaz mimarimizin, deneyimizde incelenen GaAs tabanlı heteroyapılarda bulunmayan durumları keşfetmek için diğer ilginç malzeme sistemlerine uygulanacağını umuyorum” diye ekledi. “2 boyutlu malzeme topluluğunun veya kuantum spin sıvısı topluluğunun makalemizde özetlenen kavramları kullanması harika olurdu. Aslında bunun grafende gerçekleştiğini zaten görüyoruz. Bazı güzel girişim ve tünel açma deneyleri şu anda UCSB’den Andrea Young ve Harvard’dan Philip Kim’in gruplarında grafen üzerinde yapılıyor.”
Sizin için yazarımız Ingrid Fadelli tarafından yazılan, Gaby Clark tarafından düzenlenen ve Robert Egan tarafından gerçekleri kontrol edilen ve gözden geçirilen bu makale, insanların dikkatli çalışmasının sonucudur. Bağımsız bilim gazeteciliğini canlı tutmak için sizin gibi okuyuculara güveniyoruz. Bu raporlama sizin için önemliyse lütfen bağış yapmayı düşünün (özellikle aylık). Bir alacaksın reklamsız bir teşekkür olarak hesaplayın.
