17 апреля группа Heiblum’a из Weizmann Institute of Science (Израиль) опубликовала сенсационное сообщение об экспериментальном наблюдении квазичастиц с зарядом равным четверти заряда электрона (1/4) в режиме дробного квантового эффекта Холла (FQHE) с фактором заполнения ν=5/2 [1, 2].

Такой фактор заполнения означает, что две зоны Ландау полностью заполнены, а одна – наполовину. Заряд частиц удалось определить в результате измерения дробового шума тока, протекающего через сужение в двумерном электронном газе. Мощность такого шума, как известно, пропорциональна заряду частиц. Ранее аналогичные эксперименты позволили уже наблюдать частицы с дробным зарядом, но все эти дроби имели нечетные знаменатели. Повышенный интерес именно к заряду 1/4 связан с топологическим квантовым компьютером.

Остановимся на подробностях рассматриваемого эксперимента. Наличие возбуждений двумерного электронного газа с зарядом 1/4 в режиме дробного квантового эффекта Холла с фактором заполнения ν=5/2 предсказывала теория. Однако для наблюдения таких квазичастиц понадобились достаточно совершенные структуры. Лучшие по качеству гетероструктуры на основе GaAs/AlGaAs выращиваются как раз в Weizmann Institute of Science. Здесь получены рекордные подвижности двумерного электронного газа, а значит и максимальная длина свободного пробега электронов. На рис. 1а представлены зависимости продольного (диссипативного) и холловского сопротивлений от магнитного поля. На холловской кривой хорошо видны широкие ступени, соответствующие целочисленному квантовому эффекту Холла. Эти ступени наблюдают многие. В промежутке едва заметны очень узкие ступени, отвечающие дробному эффекту. Эти ступени видят только избранные.

Рис. 1. а – Зависимость от магнитного поля продольного сопротивления (синяя кривая) и холловского сопротивления (зеленая кривая); b – схема устройства: ток, пропускаемый между контактами S и D, проходит через сужение (QPC)

При некоторых дробных величинах фактора заполнения двумерная сильно взаимодействующая система электронов приходит в состояние с упорядочиванием (аналог кристаллизации). В результате кулоновская энергия взаимодействия электронов понижается, и возникает небольшая щель в энергетическом спектре. Она и приводит к образованию небольшой ступени на холловском сопротивлении. Из-за наличия щели в этом состоянии при низкой температуре электронный ток является бездиссипативным, как в сверхпроводниках. Диссипативная компонента тока возникает из-за наличия возбуждений в этой системе (квазичастиц). Квазичастицы такого состояния могут обладать дробным зарядом и статистикой отличной от фермионов и бозонов. Квантовая электродинамика в четырехмерном пространстве-времени устанавливает четкую связь статистики со спином. Для пространственных двумерных систем это утверждение не работает.

Измерение дробового шума тока, протекающего через сужение, позволило определить заряд квазичастиц, соответствующих ступени ν=5/2, как четверть заряда электрона. Попутно авторы исследовали и другие ступени, приведенные на рис. 1а.

Автор – В. Вьюрков

• 1. M. Dolev et al. Nature 452, 829 (2008)
• 2. E. Fradkin. Ibid, p. 823