Vakuumschwankungen brechen den topologischen Schutz

Ein Kennzeichen sogenannter topologischer Quantenzustände ist, dass sie gegen lokale Störungen geschützt sind. ETH-Physiker zeigen nun, dass im paradigmatischen Fall des ganzzahligen Quanten-Hall-Effekts Vakuumschwankungen zum Zusammenbruch des topologischen Schutzes führen können.

„Bis 1980 erwartete niemand, dass es einen Effekt wie den Quantized Hall Effect gibt, der ausschließlich von Fundamentalkonstanten abhängt und nicht von Unregelmäßigkeiten im Halbleiter wie Verunreinigungen oder Grenzflächeneffekten beeinflusst wird.“ So sprach der deutsche Physiker Klaus von Klitzing über die Verleihung des Nobelpreises für Physik 1985. Er wurde 1980 für seine Entdeckung einer quantisierten Version des Hall-Effekts in zweidimensionalen Elektronengasen ausgezeichnet. Die unerwartete Robustheit des inzwischen bekannt gewordenen „ganzzahligen Quanten-Hall-Effekts“ hat von Klitzings Entdeckung überhaupt erst ermöglicht. Er arbeitete mit Halbleitern – Materialien, die bekanntermaßen von Unvollkommenheiten geplagt sind – und beobachtete dennoch eine erstaunlich „saubere“ Quantisierung der Hall-Leitfähigkeit. Dass solche Quantensysteme so gut gegen lokale Störungen geschützt werden können, wurde später im Rahmen topologischer Eigenschaften elektronischer Vielteilchenzustände erklärt. Doch dieser Schutz kann auf unerwartete Weise zusammenbrechen, wie die Gruppe von Prof. Jérôme Faist am Institut für Quantenelektronik jetzt berichtet. Einschreiben Wissenschaftstellen sie Experimente vor, in denen sie feststellten, dass das Aussetzen eines Quanten-Hall-Systems den stark verstärkten Quantenvakuumfluktuationen eines engen Hohlraums einen neuen und potenziell allgemeinen Weg bietet, um Quantenzustände wesentlich zu modifizieren. Eine solche „Vakuumfeldtechnik“ könnte zu neuen experimentellen Möglichkeiten führen – aber auch unerwünschte Interferenzen in Experimenten verursachen, in denen zweidimensionale Materialien und Resonatoren kombiniert werden.

Steuerung durch Vakuum-Feldtechnik

Dass „leerer“ Raum mit elektromagnetischen Vakuumfluktuationen gefüllt ist, ist einer der fesselndsten Aspekte der Quantenfeldtheorien. Erscheinungsformen von Vakuumfeldern werden seit langem experimentell beobachtet, etwa in Form von spontaner Emission, der Lamb-Verschiebung und dem Casimir-Effekt. Die direkte Erfassung dieser Felder wurde jedoch erst in den letzten Jahren erreicht, insbesondere in der Arbeit der Faist-Gruppe im Jahr 2019, in der sie die spektralen Eigenschaften von Vakuumfeldfluktuationen bestimmten. Eine faszinierende Frage, die sich aus dieser Arbeit in Zürich und anderswo ergab, war, ob Vakuumfelder genutzt werden könnten, um die Eigenschaften von Materialien auf kontrollierte Weise zu verändern. In früheren Arbeiten hat eine Kollaboration von ETH-Physikern Hinweise darauf gefunden, als sie den Magnetotransport in einem an einen Hohlraum gekoppelten Halbleitermaterial gemessen haben. Bei diesen Experimenten hingen die Signaturen der Modifikation jedoch von der Probe selbst ab, und verschiedene physische Proben mussten gemessen werden, um Situationen zu vergleichen, in denen die Eigenschaften durch Vakuumfelder modifiziert wurden, mit einem „unmodifizierten“ Szenario.

Nun wandten sich Doktorandin Felice Appugliese und Kollegen in der Faist-Gruppe einem System im ganzzahligen Quanten-Hall-Regime zu, bei dem der topologische Schutz die Robustheit gewährleistet und daher eine gewisse Abhängigkeit von der verwendeten spezifischen Probe beseitigt. In ihren Experimenten positionierten sie Hall-Stab-Proben in den engen Grenzen eines optischen Nano-Hohlraums, dessen Abmessungen weit unter der Wellenlänge des beteiligten Lichts liegen. Solche Hohlräume vermitteln eine sehr starke Kopplung zwischen Licht- und Materiezuständen und bieten somit eine hochempfindliche optische Sonde für Quanten-Vielteilchenzustände. In den letzten zehn Jahren hat das Team um Faist und Giacomo Scalari, jetzt außerordentlicher Professor in der Gruppe, solche Hohlräume (sogenannte Split-Ring-Hohlräume) perfektioniert, um rekordhohe Licht-Materie-Kopplungen zu erreichen. Wichtig ist, dass der enge Sub-Wellenlängen-Einschluss auch die Vakuumfeldfluktuationen verstärkt, wodurch sowohl deren Wirkung auf die Materie optimiert als auch ein Weg zur „Vakuumfeldtechnik“ bereitgestellt wird. Dies wurde bereits in der vorherigen Arbeit gezeigt, aber eine solide Basis fehlte.

Aus dem Schritt

Für einen direkten Vergleich appugliese et al. ein Referenzmuster ohne Kavität und ein Muster mit Kavität auf demselben Chip hergestellt und getestet. In der Referenzprobe maßen sie die schöne Treppenfolge von breiten Plateaus im Widerstand, die zuerst von Klitzing gesehen wurden. Bei der Probe mit Kavität sahen sie jedoch unverkennbare Abweichungen von dieser ganzzahligen Quantisierung (siehe Abbildung oben). Diese können im Rahmen ihres Theoriemitarbeiters Cristiano Ciuti an der Université de Paris erklärt werden. Im Wesentlichen vermittelt der Hohlraum eine weitreichende Dynamik, bei der letztendlich entgegengesetzte Randzustände gekoppelt werden, wodurch ein Kanal geöffnet wird, durch den ein Elektron gestreut werden kann, wodurch der topologische Schutz gebrochen wird. Im Gegensatz dazu können kurzreichweitige Wechselwirkungen wie Verunreinigungen keine Streuung erzeugen.

Appugliese und Kollegen gingen noch einen Schritt weiter und modifizierten das Feld innerhalb des Resonators mit einer metallischen Oberfläche, die sie in unterschiedlichen Abständen von der Probe platzierten. Sie demonstrierten auf diese Weise nicht nur die vakuumfeldinduzierte Modifikation des Quanten-Hall-Zustands ohne Referenzprobe, sondern geben auch einen Hinweis darauf, wie topologische Quanten-Vielteilcheneffekte kontrollierbar modifiziert werden können. Diese Ergebnisse erinnern auch daran, dass Plattformen, die zweidimensionale Materialien und Resonatorstrukturen kombinieren – diese werden zunehmend in verschiedenen Bereichen der Physik verwendet –, anfällig für unerwünschte Interferenzeffekte sein könnten. Diese Warnung kann sich auch auf Situationen ohne Hohlräume erstrecken. Quanten-Hall-Proben dienen dank der exakten Quantisierung, die sie bieten, als Standard für den elektrischen Widerstand (wobei das Widerstandsquant als von-Klitzing-Konstante bekannt ist) und als hochpräzise Sonde für Fundamentalkonstanten. Da der freie Raum von Vakuumschwankungen durchzogen ist, ist es denkbar, dass diese Felder letztlich die Genauigkeit solcher Benchmarks limitieren.