У фізиці класичний «ефект Холла», відкритий наприкінці ХІХ століття, описує, як виникає поперечна напруга в електричному струмі за впливу перпендикулярного магнітного поля.
Простіше кажучи, магнітне поле змушує електрони, що мають негативний заряд, зміщуватися вбік, створюючи негативний заряд на одному краю смужки, що проводить струм, і позитивний заряд на протилежній стороні.
Протягом десятиліть ця різниця напруг використовувалася як діагностичний інструмент для точного вимірювання магнітних полів та визначення рівня легування матеріалу, тобто додавання крихітної, контрольованої кількості домішки до чистого матеріалу для зміни його електропровідності.
У 1980-х роках експерименти при наднизьких температурах із надтонкими провідниками — уявіть собі аркуш паперу — показали, що при сильних магнітних полях ця різниця напруги збільшується не по прямій лінії, а з чітко вираженими ступенями.
Ці плато універсальні та залежать від складу матеріалу, його форми чи мікроскопічних дефектів. Вони спираються виключно на фундаментальні константи Всесвіту: заряд електрона та постійну Планка.
Це явище відоме як квантовий ефект Холла, відкриття настільки важливе, що призвело до присудження трьох Нобелівських премій з фізики: у 1985 році за відкриття квантового ефекту Холла, у 1998 році за відкриття дробового квантового ефекту Холла та у 2016 році за відкриття топологічних фаз матерії.
До цього часу квантовий ефект Холла спостерігався в основному з електронами, електричний заряд яких робить їх чутливими до електричних та магнітних полів. Фотони, частинки світла, електрично нейтральні й, отже, несприйнятливі до цих сил.
Тому відтворення квантового ефекту Холла зі світлом являло собою серйозну проблему.
Досягнення неможливого
Тепер міжнародна дослідницька група зробила досі неможливе: вони спостерігали квантований поперечний дрейф світла. Їхнє відкриття опубліковано в журналі Physical Review X.
"Світло дрейфує квантованим чином, наслідуючи універсальні ступені, аналогічні тим, які спостерігаються в електронів у сильних магнітних полях", — пояснив Філіп Сент-Жан, професор фізики Монреальського університету, співавтор дослідження.
Наслідки цього відкриття є величезними, додав він. Наприклад, у метрології - науці про точні виміри - оптичні системи можуть стати універсальним золотим стандартом, доповнюючи або замінюючи електронні системи, вважає він.
Квантовий ефект Холла вже застосовується у метрології.
"Сьогодні кілограм визначається на основі фундаментальних констант за допомогою електромеханічного пристрою, який порівнює електричний струм з масою", - пояснив Сент-Жан. "Для ідеального калібрування цього струму нам потрібний універсальний стандарт електричного опору.
"Квантові плато ефекту Холла дають нам саме це. Завдяки їм кожна країна у світі використовує ідентичне визначення маси, не покладаючись на фізичні артефакти».
Сент-Жан вважає, що квантований контроль над потоком світла може відкрити нові горизонти не тільки в метрології, а й за її межами, в таких галузях, як квантова обробка інформації, і навіть прокласти шлях до створення більш стійких квантових фотонних комп'ютерів.
І навпаки, невелике відхилення від цього ідеального квантування може сигналізувати про конкретні збурення навколишнього середовища, що дозволяє розробляти надзвичайно точні датчики.
"Спостереження квантованого потоку світла є унікальним завданням, оскільки фотонні системи за своєю природою знаходяться поза рівновагою", - зазначив Сент-Жан. "На відміну від електронів, світло вимагає точного контролю, маніпулювання та стабілізації".
Експеримент, розроблений ним та його колегами, заснований на передових методах експериментальної інженерії та, за їхніми словами, відкриває нові можливості для проєктування та розробки фотонних пристроїв наступного покоління для передачі та обробки інформації.
