Physiker entdecken neue Phänomene im fraktionalen Quanten-Hall-Effekt

Stellen Sie sich statt unserer dreidimensionalen Welt ein zweidimensionales Flachland vor, in dem die Gesetze der Physik auf den Kopf gestellt sind und Teilchen wie Elektronen unerwartete neue Geheimnisse enthüllen. Genau das hat ein Forscherteam, darunter der Physikprofessor der Georgia State University Ramesh G. Mani und der kürzlich promovierte U. Kushan Wijewardena, in den Laboren der Georgia State University untersucht.

Ihre Studien führten kürzlich zu einer Entdeckung veröffentlicht im Journal Nachrichtenphysik. Das Team hat die rätselhafte Welt der fraktionierten Quanten-Hall-Effekte (FQHE) untersucht und dabei neuartige, unerwartete Phänomene aufgedeckt, wenn diese Systeme auf neue Weise untersucht und über ihre üblichen Grenzen hinaus erweitert werden.

„Die Erforschung fraktionaler Quanten-Hall-Effekte ist seit Jahrzehnten ein Schwerpunkt der modernen Festkörperphysik, da Teilchen in flachen Regionen mehrere Persönlichkeiten haben und auf Wunsch eine kontextabhängige Persönlichkeit zeigen können“, sagte Mani. „Unsere neuesten Erkenntnisse erweitern die Grenzen dieses Feldes und bieten neue Einblicke in diese komplexen Systeme.“

Der Quanten-Hall-Effekt ist seit 1980 ein spannender und zentraler Bereich der Festkörperphysik. Damals berichtete Klaus von Klitzing über seine Entdeckung, dass eine einfache elektrische Messung sehr genaue Werte für einige fundamentale Konstanten liefern kann, die das Verhalten unseres Universums bestimmen. Für diese Entdeckung erhielt er 1985 den Nobelpreis.

1998 wurde ein Nobelpreis für die Entdeckung und das Verständnis des fraktionalen Quanten-Hall-Effekts verliehen, der nahelegte, dass Flachlandteilchen teilladungsbehaftet sein könnten. Die Reise ging weiter mit der Entdeckung von Graphen, einem Material, das die Möglichkeit masseloser Elektronen in Flachlandteilchen aufzeigte, was 2010 zu einem weiteren Nobelpreis führte.

Schließlich wurden Theorien über neue Phasen der Materie, die mit dem Quanten-Hall-Effekt in Zusammenhang stehen, 2016 mit einem Nobelpreis gewürdigt.

Die Festkörperphysik hat zu Entdeckungen geführt, die moderne Elektronik wie Mobiltelefone, Computer, GPS, LED-Beleuchtung, Solarzellen und sogar selbstfahrende Autos möglich gemacht haben. Die Festkörperphysik erforscht derzeit die Flachlandwissenschaft und Flachlandmaterialien mit dem Ziel, energieeffizientere, flexiblere, schnellere und leichtere Elektronik der Zukunft zu entwickeln, darunter neuartige Sensoren, effizientere Solarzellen, Quantencomputer und topologische Quantencomputer.

In einer Reihe von Experimenten unter extrem kalten Bedingungen, nahe -273 °C (-459 °F) und unter einem Magnetfeld, das fast 100.000 Mal stärker ist als das der Erde, machten sich Mani, Wijewardena und ihre Kollegen an die Arbeit. Sie legten einen zusätzlichen Strom an hochbewegliche Halbleiterbauelemente an, die aus einer Sandwichstruktur aus Galliumarsenid (GaAs) und Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) bestehen, was dabei hilft, Elektronen in einem Flachland zu realisieren.

Sie beobachteten, wie sich alle FQHE-Zustände unerwartet aufspalteten, gefolgt von Kreuzungen der aufgespaltenen Zweige. Dies ermöglichte ihnen, die neuen Nichtgleichgewichtszustände dieser Quantensysteme zu erforschen und völlig neue Materiezustände aufzudecken.

Die Studie unterstreicht die entscheidende Rolle hochwertiger Kristalle, die an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich von Professor Werner Wegscheider und Dr. Christian Reichl hergestellt wurden, für den Erfolg dieser Forschung.

„Stellen Sie sich die traditionelle Untersuchung fraktionaler Quanten-Hall-Effekte wie die Erkundung des Erdgeschosses eines Gebäudes vor“, sagte Mani. „Bei unserer Untersuchung geht es darum, die oberen Stockwerke – diese aufregenden, unerforschten Ebenen – zu suchen und zu entdecken und herauszufinden, wie sie aussehen. Überraschenderweise konnten wir mit einer einfachen Technik auf diese oberen Stockwerke zugreifen und komplexe Signaturen der angeregten Zustände aufdecken.“

Wijewardena, der letztes Jahr seinen Doktortitel in Physik an der Georgia State University erlangte und nun als Dozent am Georgia College and State University in Milledgeville tätig ist, äußerte seine Begeisterung über deren Arbeit.

„Wir arbeiten seit vielen Jahren an diesen Phänomenen, aber dies ist das erste Mal, dass wir über diese experimentellen Ergebnisse zur Erzielung angeregter Zustände fraktionaler Quanten-Hall-Zustände berichten, die durch Anlegen einer Gleichstromvorspannung induziert werden“, sagte Wijewardena. „Die Ergebnisse sind faszinierend, und es hat ziemlich lange gedauert, bis wir eine plausible Erklärung für unsere Beobachtungen hatten.“

Die Studie stellt nicht nur bestehende Theorien in Frage, sondern legt auch einen hybriden Ursprung für die beobachteten nicht im Gleichgewicht befindlichen angeregten FQHEs nahe. Dieser innovative Ansatz und die unerwarteten Ergebnisse unterstreichen das Potenzial für neue Entdeckungen auf dem Gebiet der Festkörperphysik und inspirieren zukünftige Forschung und technologische Fortschritte.

Die Erkenntnisse des Teams haben weitreichende Folgen für die Arbeit im Labor und deuten auf potenzielle Erkenntnisse für die Quanteninformatik und Materialwissenschaft hin. Indem sie diese unerforschten Gebiete erkunden, legen diese Forscher den Grundstein – und bilden neue Generationen von Studenten aus – für zukünftige Technologien, die alles von der Datenverarbeitung bis zur Energieeffizienz revolutionieren und gleichzeitig die Hightech-Wirtschaft ankurbeln könnten.

Mani, Wijewardena und ihr Team weiten ihre Studien nun auf noch extremere Bedingungen aus und erforschen neue Methoden zur Messung anspruchsvoller Flachlandparameter. Dabei erwarten sie, weitere Nuancen dieser Quantensysteme aufzudecken und so wertvolle Erkenntnisse für das Forschungsgebiet zu gewinnen. Mit jedem Experiment kommt das Team dem Verständnis der komplexen Verhaltensweisen näher, die dabei eine Rolle spielen, und bleibt dabei offen für die Möglichkeit neuer Entdeckungen.