Физики впервые экспериментально подтвердили существование полуквантованного эффекта Холла в аксионном изоляторе

Международная группа физиков из Китая впервые экспериментально зафиксировала полуквантованный эффект Холла в аксионном изоляторе — экзотическом топологическом состоянии вещества, предсказанном теорией, но долго остававшемся недоступным для прямых измерений.

Аксионный изолятор относится к классу топологических материалов, в которых квантовые свойства объёма проявляются не внутри кристалла, а на его границах. Ключевая особенность такого состояния — наличие квантованного аксионного поля, которое должно приводить к появлению полуквантованной аномальной проводимости Холла на поверхности материала. Теория предсказывает, что вклад каждой поверхности равен e²/2h, однако в реальных образцах сигналы от противоположных сторон обычно полностью компенсируют друг друга, из-за чего эффект годами оставался «скрытым».

В новой работе учёным удалось обойти эту проблему за счёт специально спроектированной гетероструктуры магнитного аксионного изолятора, выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Ключевым элементом стало асимметричное смещение уровня Ферми — энергии, определяющей, какие электронные состояния в материале доступны для проводимости. В результате одно из топологических поверхностных состояний оказалось изолированным внутри магнитной щели, а второе — перешло в металлический режим и перестало вносить компенсирующий вклад.

Такая конфигурация позволила напрямую измерить полуквантованную послойную аномальную проводимость Холла величиной e²/2h. Авторы называют этот эффект послойным эффектом Холла (layered Hall effect, LHE). Он был устойчиво зарегистрирован более чем в десяти устройствах и сохранялся как при параллельной, так и при антипараллельной ориентации намагниченности слоёв, что подтверждает его топологическую природу.

Полученные данные представляют собой прямое доказательство существования полуквантованного граничного отклика, связанного с квантованным аксионным полем в объёме материала. Тем самым работа закрывает одну из ключевых экспериментальных лакун в физике топологических состояний и демонстрирует возможность управлять квантованным топологическим откликом пространственно — за счёт инженерии гетероструктур.

В физике конденсированного состояния аксионные изоляторы реализуют математически аналогичную структуру, позволяя изучать «аксионную физику» в твёрдом теле и открывая путь к новым типам квантовых устройств.

Практическое значение этого результата заключается не в немедленных технологиях, а в расширении инструментов управления квантовыми свойствами вещества. Полуквантованный эффект Холла — это строго заданный, устойчивый отклик, почти не зависящий от дефектов и внешних возмущений. В перспективе такие эффекты могут использоваться в сверхстабильных квантовых сенсорах, элементах спинтроники и архитектурах квантовой электроники, где важно не усиливать сигнал, а гарантировать его точность и воспроизводимость. Работа показывает, что сложные квантовые состояния, которые раньше существовали только в уравнениях, можно не просто реализовать в материале, но и «включать» и «выделять» по слоям — принципиально новый уровень контроля над квантовой материей.

 Источник: Nature Communications