Klasyczny i kwantowy efekt Halla
Klasyczny efekt Halla opisuje zjawisko powstawania napięcia poprzecznego w przewodniku, gdy przepływający przez niego prąd znajdzie się w polu magnetycznym. W wersji kwantowej, opisanej w latach 80. ubiegłego wieku, napięcie to nie zmienia się płynnie, lecz skokowo. Dzieje się to w precyzyjnych, uniwersalnych wartościach zależnych jedynie od fundamentalnych stałych natury. Efekt ten ujawnia się w postaci ściśle skwantowanych wartości przewodnictwa, co wynika z fundamentalnych własności układów dwuwymiarowych i ich topologii. Pokrewnym zjawiskiem jest spinowy efekt Halla, w którym zamiast ładunku rozdzielają się spiny elektronów.
Czytaj też: To wygląda jak złamanie praw fizyki. Woda w zaporze Hoovera unosi się zamiast spadać
Do tej pory fenomen ten obserwowano wyłącznie dla cząstek posiadających ładunek elektryczny, czyli elektronów. To właśnie ich interakcja z polem magnetycznym prowadzi do charakterystycznego dryfu i powstawania kwantowych poziomów. Co więcej, często działo się to w ekstremalnych warunkach: przy bardzo niskich temperaturach i silnych polach magnetycznych. Nowe badania pokazują jednak, że analogiczne zjawiska można uzyskać w układach optycznych, gdzie nośnikiem nie są elektrony, lecz światło. Kluczowa rolę odgrywają fotony, które nie mają ładunku, przez co – zgodnie z klasycznym rozumieniem – nie powinny reagować w ten sposób na pole magnetyczne.
Jak wyglądały eksperymenty w wykonaniu niemieckich naukowców? Kluczem do sukcesu okazały się tzw. polarytony, a więc egzotyczne cząstki będące hybrydą światła i materii. Powstają one w wyniku silnego sprzężenia fotonów z ekscytonami w odpowiednio zaprojektowanych materiałach. Dzięki nim możliwe było stworzenie układu, w którym światło zachowuje się w sposób przypominający elektrony w efekcie kwantowego Halla.
Jak wykorzystać te rezultaty w praktyce?
Badacze wykorzystali precyzyjnie zaprojektowane struktury materiałowe, aby “narzucić” światłu odpowiednie warunki topologiczne. W efekcie uzyskali kontrolowany ruch fotonów, który przypomina charakterystyczne dla efektu Halla poprzeczne odchylenie: tyle że bez udziału ładunku elektrycznego. To oznacza, iż światło może być kierowane w sposób odporny na zakłócenia i defekty materiałowe, co jest jedną z najważniejszych cech układów topologicznych.
Czytaj też: Naukowcy opanowali kierowanie światłem w nanoskali. To może zmienić fotoniczne układy scalone
Osiągnięcie to wpisuje się w dynamicznie rozwijającą się dziedzinę tzw. fotoniki topologicznej, która bada, jak własności topologiczne mogą chronić i stabilizować propagację światła. Tego typu zjawiska są szczególnie atrakcyjne z punktu widzenia technologii, ponieważ umożliwiają tworzenie układów optycznych niewrażliwych na niedoskonałości. W praktyce oznaczałoby to większą niezawodność i efektywność. Potencjalne zastosowania mogłyby obejmować zaawansowane układy komunikacji optycznej, nowe typy laserów, a także komponenty dla komputerów kwantowych i fotonicznych procesorów informacji. Możliwość kontrolowania przepływu światła w sposób topologicznie chroniony może w przyszłości pozwolić na budowę urządzeń działających szybciej i z mniejszymi stratami energii.
Źródło: Nature Communications
