분수 양자 홀 효과

Fractional quantum Hall effect

분수 양자 홀 효과(FQHE)는 2D 전자의 홀 전도성이 의 분수 값으로 정밀 정량화된 판상도를 보이는 물리적 현상이다 전자가 자속선을 결합하여 새로운 퀘이파티클을 만드는 집단 상태의 속성이다. 일부분 기본 전하 및 일부 통계량 1998년 노벨 물리학상은 로버트 러플린, 호르스트 슈트르머, 다니엘 츠이에게 "부분 충전된 배설물로 새로운 형태의 양자액을 발견한 것"[1][2]으로 수여되었다. 러플린의 설명은 m 이() 홀수 정수인 = / 필링에만 적용된다. FQ의 미시적 기원그는 응축물리학의 주요 연구 주제다.

소개

물리학의 미해결 문제:

분수 양자 홀 효과에서 state=5/2 상태의 존재를 설명하는 메커니즘은 무엇인가?

(물리학에서 더 풀리지 않은 문제)

분수 양자 홀 효과(FQHE)는 전자의 2차원 시스템에서 집합적인 행동이다. 특히 자기장에서는 전자 가스가 놀라운 액체 상태로 응축되어 매우 섬세하며, 운반체 농도가 낮고, 온도가 극히 낮은 고품질의 물질을 필요로 한다. 정수 양자 홀 효과와 마찬가지로 홀 저항은 일련의 고지를 형성하기 위해 특정 양자 홀 전환을 거친다. 자기장의 각 특정 값은 충전 계수(전자와 자속 퀀텀의 비율)에 해당한다.

여기서 p와 q는 공통 요인이 없는 정수다. 여기서 q는 2개의 충전인자 5/2와 7/2를 제외하고 홀수 숫자로 나타난다. 그러한 분수의 주요 시리즈는 다음과 같다.

그리고

FQHE 이론에는 몇 가지 주요한 단계가 있었다.

  • 러플린 상태와 부분충전된 퀘이파르티클 러플린이 제안한 이 이론은 1/[\1/의 지상 상태에 대한 정확한 시험파 기능뿐만 아니라 그 퀘이시피사와 준홀 배설물에 기초하고 있다. 배설물의 크기는 = {\ e q이다
  • Quasiparticles의 부분 교환 통계: Bertrand Halperin conjectured, and Daniel Arovas, J. R. Schrieffer, and Frank Wilczek demonstrated, that the fractionally charged quasiparticle excitations of the Laughlin states are anyons with fractional statistical angle ; the wave function acquires phase factor of e^{Aharonov-Bohm 위상 인자와 함께) 동일한 퀘이파티클을 시계 반대방향으로 교환할 때. 최근의 실험은 이러한 효과를 분명하게 입증해 주는 것 같다.[3]
  • 계층 상태: 이 이론은 Duncan Haldane에 의해 제안되었고, Halperin에 의해 더 명확하게 설명되어, Laughlin 주의 = 1 / 에서 일어나지 않는 관측된 충만 분율을 설명하였다 Laughlin 주를 시작으로 다른 충만족에서의 새로운 상태는 그들의 L에 응축함으로써 형성될 수 있다.오글린 주 새로운 상태와 그 채우기들은 의 부분 통계에 의해 제한되며, 를 들어, 러플린=1 / 3 = 및 / = 상태에서 생성된다. 유사하게 새로운 상태의 첫 번째 세트의 퀘이파르티클을 응축하여 또 다른 일련의 새로운 상태를 건설하는 것은 모든 홀수-분수 채우기 분수를 포함하는 상태의 계층을 생성한다. 이 아이디어는 정량적으로 검증되었고,[4] 관찰된 분수를 자연적인 순서로 끌어낸다. 러플린의 원래 플라스마 모델은 맥도날드 등에 의해 계층 구조로 확장되었다.[5] 무어와 리드에 의해 도입된 방법을 사용하여,[6] 일치장 이론에 기초하여 명시적 파동 함수를 모든 계층 상태에 대해 구성할 수 있다.[7]
  • 합성 페르미온: 이 이론은 자인에 의해 제안되었고, 더 나아가 할페린, 리, 리드에 의해 확장되었다. 이 이론의 기본 개념은 거부반응의 결과로서 두 개의 (또는 일반적으로 짝수 수의) 항체가 각 전자에 의해 포획되어 합성 페르미온이라고 불리는 정수를 충전한 퀘이파티클을 형성한다는 것이다. 전자의 분수 상태는 합성 페르미온의 정수 QHE로 이해된다. 예를 들어, 이것은 충만인자 1/3, 2/5, 3/7 등의 전자를 충만인자 1, 2, 3 등과 같은 방식으로 작용하게 한다. 합성 페르미온이 관찰되었고, 그 이론은 실험과 컴퓨터 계산에 의해 검증되었다. 복합 페르미온은 분수 양자 홀 효과 이상으로도 유효하다. 예를 들어, 충전 계수 1/2은 복합 페르미온의 자기장 0에 해당하여 페르미 바다가 된다.

FQHE는 1982년 다니엘 츠이와 호르스트 슈트르머에 의해 실험적으로 발견되었는데, 아서 고사드가 개발한 갈륨 비소 이질 구조물에 대한 실험에서 발견되었다. 슈이, 스투르머, 러플린은 그들의 업적으로 1998년 노벨상을 받았다.

부분적으로 충전된 퀘이파르티클은 보손도 페르미온도 아니며 어떠한 통계도 보여준다. 소수 양자 홀 효과는 위상학적 질서에 대한 이론에 계속해서 영향을 미친다. 특정 부분 양자 홀 페이즈는 위상 양자 컴퓨터 구축에 적합한 특성을 가지고 있는 것으로 보인다.

부분 충전된 퀘이파르티클에 대한 증거

FQ 하의 전자 가스에 부분적으로 충전된 퀘이파티클이 있다는 이해를 구체적으로 뒷받침하는 실험 결과가 보고되었다.그는 조건부다.

1995년, 러플린 퀘이파르티클의 분율 전하가 뉴욕 스토니브룩 대학교의 양자 항전 전자측정기에서 직접 측정되었다.[8] 1997년 이스라엘 레호보트에 있는 바이즈만 과학 연구소와 파리 근교의 코미사리아 아 레네르기 아토미크 실험실에서 두 그룹의 물리학자들이 양자 사격 소음[10][11] 측정을 통해 전류를 운반하는 그런 퀘이파르티클을 검출했다.[9]이 두 실험 모두 확실하게 확인되었다.

극히 직접적으로 퀘이시피사 혐의를 측정하는 [12]보다 최근의 실험은 나무랄 데 없이 나타난다.

분수 양자홀 효과의 영향

FQH 효과는 란다우의 대칭파단 이론의 한계를 보여준다. 이전에는 대칭파괴 이론이 모든 형태의 물질의 모든 중요한 개념과 본질적인 성질을 설명할 수 있다고 오랫동안 믿어왔다. 이 관점에 따르면 대칭파단 이론을 모든 종류의 위상과 위상전환에 적용하는 것만이 유일한 방법이다.[13] 이러한 관점에서, 우리는 츠이, 스톰어, 고사드가 발견한 FQHE의 중요성을 이해할 수 있다.

FQH 액체의 존재는 대칭 파괴의 패러다임을 넘어 완전히 새로운 세계가 존재한다는 것을 나타내며 탐험을 기다리고 있다. FQH 효과는 응축물리학의 새로운 장을 열었다. 다른 FQH 상태는 모두 동일한 대칭을 가지며 대칭 파괴 이론으로 설명할 수 없다. 관련 분수, 분수 통계, 비아벨리안 통계, 치랄 에지 상태 등은 다체 시스템에서 출현의 힘과 매혹을 보여준다. 따라서 FQH 상태는 완전히 새로운 종류의 질서, 즉 위상 질서를 포함하는 물질의 새로운 상태를 나타낸다. 예를 들어, 2D 평면에서 모든 재료의 등방성으로 간주되는 특성이 비등방성이 될 수 있다. FQH로 대표되는 새로운 유형의 주문은 양자 위상과 양자 위상 전환에 대한 우리의 이해를 크게 강화시킨다.[14][15]

참고 항목

메모들

  1. ^ "The Nobel Prize in Physics 1998". www.nobelprize.org. Retrieved 2018-03-28.
  2. ^ Schwarzschild, Bertram (1998). "Physics Nobel Prize Goes to Tsui, Stormer and Laughlin for the Fractional Quantum Hall Effect". Physics Today. 51 (12): 17–19. Bibcode:1998PhT....51l..17S. doi:10.1063/1.882480. Archived from the original on 15 April 2013. Retrieved 20 April 2012.
  3. ^ An, Sanghun; Jiang, P.; Choi, H.; Kang, W.; Simon, S. H.; Pfeiffer, L. N.; West, K. W.; Baldwin, K. W. (2011). "Braiding of Abelian and Non-Abelian Anyons in the Fractional Quantum Hall Effect". arXiv:1112.3400 [cond-mat.mes-hall].
  4. ^ Greiter, M. (1994). "Microscopic formulation of the hierarchy of quantized Hall states". Physics Letters B. 336 (1): 48–53. arXiv:cond-mat/9311062. Bibcode:1994PhLB..336...48G. doi:10.1016/0370-2693(94)00957-0. S2CID 119433766.
  5. ^ MacDonald, A.H.; Aers, G.C.; Dharma-wardana, M.W.C. (1985). "Hierarchy of plasmas for fractional quantum Hall states". Physical Review B. 31 (8): 5529–5532. Bibcode:1985PhRvB..31.5529M. doi:10.1103/PhysRevB.31.5529. PMID 9936538.
  6. ^ Moore, G.; Read, N. (1990). "Nonabelions in the fractional quantum Hall effect". Nucl. Phys. B360 (2): 362. Bibcode:1991NuPhB.360..362M. doi:10.1016/0550-3213(91)90407-O.
  7. ^ Hansson, T.H.; Hermanns, M.; Simon, S.H.; Viefers, S.F. (2017). "Quantum Hall physics: Hierarchies and conformal field theory techniques". Rev. Mod. Phys. 89 (2): 025005. arXiv:1601.01697. Bibcode:2017RvMP...89b5005H. doi:10.1103/RevModPhys.89.025005. S2CID 118614055.
  8. ^ Goldman, V.J.; Su, B. (1995). "Resonant Tunneling in the Quantum Hall Regime: Measurement of Fractional Charge". Science. 267 (5200): 1010–2. Bibcode:1995Sci...267.1010G. doi:10.1126/science.267.5200.1010. PMID 17811442. S2CID 45371551. Lay summary – Stony Brook University, Quantum Transport Lab (2003). {{cite journal}}: Cite는 사용되지 않는 매개 변수를 사용한다. lay-source= (도움말)
  9. ^ L. Saminadayar, D. C. Glattli, Y. Jin, and B. Etienne (1997). "Observation of the e/3 fractionally charged Laughlin quasiparticle". Physical Review Letters. 79 (13): 2526–2529. arXiv:cond-mat/9706307. Bibcode:1997PhRvL..79.2526S. doi:10.1103/PhysRevLett.79.2526. S2CID 119425609.{{cite journal}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)
  10. ^ "Fractional charge carriers discovered". Physics World. 24 October 1997. Retrieved 2010-02-08.{{cite web}}: CS1 maint : url-status (링크)
  11. ^ R. de-Picciotto; M. Reznikov; M. Heiblum; V. Umansky; G. Bunin; D. Mahalu (1997). "Direct observation of a fractional charge". Nature. 389 (6647): 162. arXiv:cond-mat/9707289. Bibcode:1997Natur.389..162D. doi:10.1038/38241. S2CID 4310360.
  12. ^ J. Martin; S. Ilani; B. Verdene; J. Smet; V. Umansky; D. Mahalu; D. Schuh; G. Abstreiter; A. Yacoby (2004). "Localization of Fractionally Charged Quasi Particles". Science. 305 (5686): 980–3. Bibcode:2004Sci...305..980M. doi:10.1126/science.1099950. PMID 15310895. S2CID 2859577.
  13. ^ Rychkov VS, Borlenghi S, Jaffres H, Fert A, Waintal X (August 2009). "Spin torque and waviness in magnetic multilayers: a bridge between Valet-Fert theory and quantum approaches". Phys. Rev. Lett. 103 (6): 066602. arXiv:0902.4360. Bibcode:2009PhRvL.103f6602R. doi:10.1103/PhysRevLett.103.066602. PMID 19792592. S2CID 209013.
  14. ^ Callaway DJE (April 1991). "Random matrices, fractional statistics, and the quantum Hall effect". Phys. Rev. B. 43 (10): 8641–8643. Bibcode:1991PhRvB..43.8641C. doi:10.1103/PhysRevB.43.8641. PMID 9996505.
  15. ^ Selby, N. S.; Crawford, M.; Tracy, L.; Reno, J. L.; Pan, W. (2014-09-01). "In situ biaxial rotation at low-temperatures in high magnetic fields". Review of Scientific Instruments. 85 (9): 095116. Bibcode:2014RScI...85i5116S. doi:10.1063/1.4896100. ISSN 0034-6748. PMID 25273781.

참조