För första gången har forskare demonstrerat att ljus beter sig som kvant Hall-effekten, ett fenomen som tidigare endast observerats hos elektroner. Fotoner drivs nu sidledes i kvantiserade steg bestämda av fundamentala konstanter. Detta genombrott kan förbättra precisionsmätningar och främja kvantfotontiska teknologier.
Hall-effekten, upptäckt i slutet av 1800-talet, innebär att en spänning uppstår sidledes över ett material när en elektrisk ström flyter genom det under ett vinkelrätt magnetfält. Detta sker eftersom magnetfältet avböjer negativt laddade elektroner åt ena sidan, vilket skapar en laddningsansamling och mätbar spänningsskillnad. Forskare har länge använt denna effekt för att mäta magnetfält exakt och bedöma materialdopningsnivåer. nnPå 1980-talet avslöjade experiment med ultratunna ledare vid mycket låga temperaturer och starka magnetfält kvant Hall-effekten. Här bildas sidledesspänningen i distinkta platåer som stiger i steg, oberoende av materialets detaljer och bestämd enbart av elektronladdningen och Plancks konstant. Upptäckten belönades med Nobelpriser i fysik 1985 för kvant Hall-effekten, 1998 för dess fraktionella version och 2016 för relaterade topologiska materiefaser. nnAtt replikera detta med ljus har varit utmanande eftersom fotoner, till skillnad från elektroner, inte bär elektrisk laddning och inte svarar direkt på elektriska eller magnetiska fält. Ett internationellt team, inklusive forskare från Université de Montréal, har nu lyckats observera en kvantiserad sidledes drift av ljus. Deras arbete publiceras i Physical Review X. nn“Ljus drivs på ett kvantiserat sätt och följer universella steg analoga med dem som ses hos elektroner under starka magnetfält”, säger Philippe St-Jean, fysikprofessor vid Université de Montréal och medförfattare till studien. nnKvant Hall-effekten ligger till grund för modern metrologi, såsom att definiera kilograma med fundamentala konstanter via elektromekaniska enheter kalibrerade med elektriska resistansstandarder från dessa platåer. St-Jean noterade: “Idag definieras kilograma baserat på fundamentala konstanter med en elektromekanisk enhet som jämför elektrisk ström med massa. För att strömmen ska vara perfekt kalibrerad behöver vi en universell standard för elektrisk resistans. Kvant Hall-platåerna ger oss precis det.” nnDenna ljusbaserade version kan ge optiska referenser för mätningar, potentiellt vid sidan av eller istället för elektroniska. Den kan också stödja kvantinformationsbehandling och mer robusta fotoniska datorer. Små avvikelser från kvantiseringen kan möjliggöra känsliga sensorer som detekterar miljöförändringar. nnSt-Jean tillade: “Att observera kvantiserad drift av ljus är unikt utmanande, eftersom fotoniska system är inneboende ur jämvikt. Till skillnad från elektroner kräver ljus exakt kontroll, manipulation och stabilisering.” Framgången pekar på nya designer för fotoniska enheter i informationsöverföring och bearbetning.”}}},
