研究人員在分數量子霍爾效應研究中發現了新的現象
想像一下，在一個二維的平地上，而不是我們的三維世界裡，物理規則被顛覆，電子等粒子打破了人們的預期，揭示了新的秘密。這正是包括喬治亞州立大學物理學教授拉梅什-G.Kushan Wijewardena 在喬治亞州立大學實驗室進行的研究。
在喬治亞州立大學，對分數量子霍爾效應的突破性研究發現了新的物質狀態。這項創新性工作得到了極端實驗條件的支持，為未來的量子計算技術鋪平了道路。
他們的研究成果最近發表在《通訊物理學》（Communications Physics）雜誌上。研究小組深入研究了分數量子霍爾效應（FQHE）的神秘世界，當以新的方式探測這些系統並將其推向常規邊界之外時，他們發現了意想不到的新現象。
馬尼說：”幾十年來，分數量子霍爾效應研究一直是現代凝聚態物理學的一大重點，因為平地上的粒子可以有多重性格，並且可以根據需要表現出與上下文相關的性格。我們的最新發現推動了這一領域的發展，為這些複雜系統提供了新的見解”。
自1980 年克勞斯-馮-克里琴（Klaus von Klitzing）報告了他的發現以來，量子霍爾效應一直是凝聚態物理學中一個充滿活力和舉足輕重的領域。這項發現為他贏得了1985 年的諾貝爾獎。
1998 年，諾貝爾獎授予了發現和理解分數量子霍爾效應的人，該效應表明平地粒子可能具有分數電荷。隨著石墨烯材料的發現，平地無質量電子的可能性得以展現，石墨烯之旅得以繼續，並於2010 年再次獲得諾貝爾獎。
最後，與量子霍爾效應有關的物質新相理論在2016 年獲得了諾貝爾獎。
凝聚態物理學的發現使手機、電腦、全球定位系統、LED 照明、太陽能電池甚至自動駕駛汽車等現代電子產品成為可能。目前，凝聚態物理學正在研究平地科學和平地材料，旨在實現更節能、更靈活、更快速、更輕的未來電子產品，包括新型感測器、更高效的太陽能電池、量子電腦和拓撲量子電腦。
在接近華氏零下459 度（零下273 攝氏度）的極冷條件下，在比地球磁場強近10 萬倍的磁場中，馬尼、維傑瓦德納及其同事進行了一系列實驗。他們給由砷化鎵（GaAs）和砷化鎵鋁（AlGaAs）材料三明治結構製成的高遷移率半導體裝置施加了補充電流，這有助於在平地上實現電子。他們觀察到所有的FQHE態意外分裂，隨後分裂分支交叉，這使他們能夠探索這些量子系統的新非平衡態，並揭示出全新的物質狀態。這項研究強調了由Werner Wegscheider 教授和Christian Reichl 博士在瑞士蘇黎世聯邦理工學院製作的高品質晶體在這項研究的成功中所扮演的關鍵角色。
馬尼說：”把對分數量子霍爾效應的傳統研究看作是對大樓底層的探索。我們的研究就是要尋找和發現高層–那些令人興奮的、未被探索過的樓層–並找出它們的模樣。
去年從喬治亞州立大學獲得物理學博士學位、現任米利奇維爾喬治亞學院和州立大學教員的維傑瓦德納對他們的工作表示興奮。
「我們研究這些現像已經很多年了，但這是我們第一次報告這些通過施加直流偏壓誘導分數量子霍爾態實現激發態的實驗發現，」維傑瓦德納說。 “這些結果令人著迷，我們花了相當長的時間才對我們的觀測結果有了一個可行的解釋。”
在美國國家科學基金會和陸軍研究辦公室的支持下，這項研究不僅對現有理論提出了挑戰，也提出了觀測到的非平衡激發態FQHEs 的混合起源。這項創新方法和意想不到的結果彰顯了凝聚態物理領域新發現的潛力，激勵未來的研究和技術進步。
該團隊研究成果的影響遠遠超出了實驗室的範圍，暗示著對量子計算和材料科學的潛在見解。透過探索這些未知領域，這些研究人員正在為未來的技術奠定基礎，並培養新一代的學生，這些技術將徹底改變從數據處理到能源效率的一切，同時為高科技經濟提供動力。
Mani、Wijewardena 和他們的團隊目前正在將研究擴展到更極端的條件下，探索測量具有挑戰性的平地參數的新方法。隨著研究的深入，他們預計將發現這些量子系統中更多的細微差別，為該領域貢獻寶貴的見解。每進行一次實驗，研究小組就會更進一步了解正在發生作用的複雜行為，並對沿途可能出現的新發現持開放態度。
編譯自/ ScitechDaily