Mezinárodní tým fyziků z Číny poprvé experimentálně zaznamenal poluquantovaný Hallův efekt v axionovém izolátoru, což je exotický topologický stav hmoty, který byl předpovězen teorií, ale dlouho zůstal nedostupný pro přímá měření.

Axionový izolátor a jeho vlastnosti

Axionový izolátor patří do třídy topologických materiálů, v nichž se kvantové vlastnosti objemu projevují nikoliv uvnitř krystalu, ale na jeho hranicích. Hlavním rysem tohoto stavu je existence kvantovaného axionového pole, které by mělo způsobit vznik poluquantované anomální Hallovy vodivosti na povrchu materiálu. Teorie předpovídá, že příspěvek každé plochy je roven e2/2h. V reálných vzorcích se však signály z protilehlých stran obvykle navzájem kompenzují, což vedlo k tomu, že efekt zůstal po mnoho let „skrytý“.

Nové experimentální přístupy

V nové studii se vědcům podařilo tuto problematiku překonat pomocí speciálně navržené heterostruktury magnetického axionového izolátoru, která byla vyrobena metodou molekulární束ková epitaxe. Klíčovým prvkem se stalo asymetrické posunutí Fermiho úrovně, což je energie určující, které elektronové stavy v materiálu jsou k dispozici pro vodivost. V důsledku toho se jedno z topologických povrchových stavů ocitlo izolováno uvnitř magnetické mezery, zatímco druhé přešlo do kovového režimu a přestalo přispívat kompenzačně.

Změření poluquantované vodivosti

Tato konfigurace umožnila přímo změřit poluquantovanou vrstvenou anomální Hallovu vodivost o velikosti e2/2h. Autoři představují tento efekt jako vrstvený Hallův efekt (Layered Hall Effect, LHE). Byl stabilně zaznamenán ve více než deseti zařízeních a přetrvával jak při paralelním, tak i při antiparalelním uspořádání magnetizace vrstev, což potvrzuje jeho topologickou povahu.

Význam a aplikace

Získaná data představují přímý důkaz existence poluquantované hranicové odezvy spojené s kvantovaným axionovým polem v objemu materiálu. Tímto způsobem práce uzavírá jednu z klíčových experimentálních mezer v oblasti fyziky topologických stavů a ukazuje možnost správy kvantované topologické odezvy prostorově — pomocí inženýrství heterostruktur.

V oblasti kondenzovaných látek axionové izolátory realizují matematicky obdobnou strukturu, což umožňuje zkoumat „axionovou fyziku“ v pevném těle a otevírá cestu k novým typům kvantových zařízení.

Budoucnost kvantových technologií

Praktický význam tohoto výsledku nespočívá v okamžitých technologiích, ale ve rozšíření nástrojů pro řízení kvantových vlastností hmoty. Poluquantovaný Hallův efekt je přísně definovaná, stabilní odezva, téměř nezávislá na defektech a vnějších rušeních. V budoucnu by takové efekty mohly být využity v superstabilních kvantových senzorech, prvcích spintroniky a architekturách kvantové elektroniky, kde je důležité nezesilovat signál, ale zaručit jeho přesnost a reprodukovatelnost. Práce ukazuje, že složité kvantové stavy, které dříve existovaly pouze v rovnici, lze nejen realizovat v materiálu, ale také „zapínat“ a „vyčleňovat“ po vrstvách — což představuje zásadně nový úroveň kontroly nad kvantovou hmotou.