چه چیزی از چاه کوانتومی میدانید؟
عاملی در فعل و انفعالات چاه کوانتومی
مجله علمی ایلیاد - گروهی متشکل از فیزیکدانان آمریکایی و ژاپنی، مجموعهای از حالات «اثر هال» کوانتومی را نشان دادهاند که در یک قطعهی دو لایه از گرافن ایجاد شده است. مقالهی تهیه شده توسط این گروه در مجلهی Nature Physics چاپ شده است. اثر هال زمانی بروز میکند که میدان مغناطیسی به صورت متقاطع بر روی یک مادهی رسانای حاوی جریان اعمال شود. میدان مغناطیسی باعث میشود که جریان منحرف شده و ولتاژی در جهت عرضی ایجاد کند که به آن ولتاژ هال میگویند. قدرت ولتاژ هال با افزایش قدرت میدان مغناطیسی افزایش مییابد.
نسخهی کوانتومی اثر هال برای اولین بار در سال ۱۹۸۰ طی آزمایشهای انجام شده در دماهای پایین و میدانهای مغناطیسی قوی کشف شد. آزمایشها نشان دادند که ولتاژ هال به جای اینکه به صورت پیوسته با افزایش قدرت میدان مغناطیسی افزایش یابد، به صورت پلهای زیاد میشود. این رفتار پلهای در واقع اعدادی پایهای از ثابتهای طبیعی بودند و کاملاً از فیزیک آزمایش و مواد مورد استفاده مستقل بودند. چند سال بعد، فیزیکدانان در دماهای نزدیک به صفر مطلق و با میدانهای مغناطیسی بسیار قوی کار کردند و نوع جدیدی از حالات کوانتومی اثر هال را مشاهده کردند که در آنها پلههای کوانتومی در ولتاژ هال با اعداد کسری مطابقت داشتند و به همین دلیل آن را «اثر هال کوانتومی کسری» نامیدند.
تئوریپردازان اینگونه نظر دادند که اثر هال کوانتومی کسری وابسته به تشکیل شبهذراتی است که «فرمیونهای مرکب» نامیده میشوند. در این حالت، هر الکترون با مقداری از فلاکس مغناطیسی ترکیب شده و فرمیون مرکب را میسازد که میتواند کسری از بار الکترون را با خود حمل کند و به این ترتیب مقادیر کسری را در ولتاژ هال ایجاد کند.
تئوری فرمیون مرکب در توضیح پدیدههای بیشماری که در سیستمهای چاه کوانتومی یگانه مشاهده میشوند، موفق است. در مطالهای جدید، دانشمندان از گرافن دولایه برای بررسی اتفاقات رخ داده در زمان استفاده از چاههای کوانتومی دوگانهی نزدیک به یکدیگر، استفاده کردهاند. تئوری نشان میدهد که فعل و انفعال بین دو لایه منجر به ایجاد نوع جدیدی از فرمیون مرکب میشود که تا کنون در آزمایشها مشاهده نشده است.
دانشمندان از دو لایهی گرافن که توسط لایهی نازکی از نیترید بور ششوجهی از هم جدا شده بودند، استفاده کردند. از گرافیت نیز بهعنوان ورودی رسانا برای تغییر بار حملکنندهی چگالی در کانال استفاده شده است. این سیستم در معرض میدان مغناطیسی قدرتمندی قرار گرفت که میلیونها بار از میدان سیارهی زمین قویتر بود. برخی از حالات کوانتومی که طی این آزمایش ایجاد شد با مدل فرمیون مرکب تطابق داشت؛ ولی برخی از آنها تا کنون پیشبینی و مشاهده نشده بودند.