В конце XIX века физики открыли явление, известное сегодня как эффект Холла. Он возникает, когда через материал, помещенный в перпендикулярное магнитное поле, пропускают электрический ток. В таких условиях на боковых гранях проводника появляется измеримое напряжение. Проще говоря, магнитное поле «сдвигает» отрицательно заряженные электроны к одному краю, создавая избыток отрицательного заряда с одной стороны и положительного – с другой. Этот эффект десятилетиями служит надежным инструментом для точного измерения магнитных полей и определения уровня легирования материалов – контролируемого добавления примесей для изменения их электропроводности.
Настоящий прорыв произошел в 1980-х годах, когда исследователи, работавшие со сверхтонкими проводниками при экстремально низких температурах, сделали поразительное открытие. Под воздействием очень сильных магнитных полей боковое напряжение росло не плавно, а дискретными скачками. Эти участки с постоянным напряжением, названные «плато», оказались универсальными – их значения не зависели ни от состава материала, ни от его формы или дефектов. Они определялись лишь фундаментальными константами природы: зарядом электрона и постоянной Планка. Это явление получило название «квантовый эффект Холла», а его важность была отмечена тремя Нобелевскими премиями по физике – в 1985, 1998 и 2016 годах.
До недавнего времени квантовый эффект Холла наблюдался исключительно для электронов. Поскольку они обладают электрическим зарядом, их поведение легко контролировать с помощью электрических и магнитных полей. Однако фотоны – частицы света – электрически нейтральны, а значит, напрямую на эти поля не реагируют. По этой причине воспроизвести для них аналогичный эффект казалось чрезвычайно сложной, если не невыполнимой задачей.
Недавно международной команде исследователей все же удалось достичь этой цели, продемонстрировав квантованный поперечный дрейф света. «Свет дрейфует квантованным образом, следуя универсальным шагам, аналогичным тем, что наблюдаются у электронов в сильных магнитных полях», – отметил Филипп Сен-Жан, профессор физики Монреальского университета и соавтор исследования, опубликованного в журнале Physical Review X. Потенциальное влияние этого открытия огромно. В метрологии – науке о точных измерениях – оптические системы могут стать новым универсальным эталоном, дополнив или даже заменив существующие электронные.
Квантовый эффект Холла уже играет центральную роль в современной метрологии. Например, сегодня эталон килограмма определяется на основе фундаментальных констант с помощью электромеханического устройства, которое сравнивает электрический ток с массой. Для идеальной калибровки этого тока необходим универсальный стандарт электрического сопротивления, которым и служат плато квантового эффекта Холла. Благодаря этому все страны мира используют единое определение массы, не привязанное к физическим артефактам. По словам Сен-Жана, точный квантованный контроль над потоком света открывает новые горизонты не только в метрологии, но и в квантовой обработке информации, что может привести к созданию более устойчивых фотонных квантовых компьютеров. Даже малейшие отклонения от идеальной квантизации могут стать основой для сверхчувствительных сенсоров нового поколения.
