Получены первые изображения уровней Ландау

Физики впервые получили графическое изображение уровней Ландау — квантовых уровней, которые определяют поведение электронов в сильном магнитном поле.

Теоретически их описал Нобелевский лауреат Лев Ландау еще в 1930 году. Вкратце это энергетические уровни для заряженной частицы в магнитном поле.

С помощью сканирующей туннельной микроскопии — пространственного исследования, которое непосредственно взаимодействует с электронами — ученые из университета Уорвика и университета Тохоку показали внутреннюю кольцеподобную структуру уровней Ландау на поверхности полупроводника.

Экспериментальной сложностью в работе было найти достаточное пространственное разрешение, чтобы преодолеть свойственный беспорядок в материале, который обычно только позволяет наблюдать дрейфующие состояния.

Изображения ясно показывают, что Ландау был прав, когда спрогнозировал, что в чистой системе электроны примут форму концентрических колец, число которых увеличивается согласно уровню их энергии.

Это простое поведение формирует основу для так называемого квантового эффекта Холла — эффекта квантования холловского сопротивления или проводимости двумерного электронного газа в сильных магнитных полях и при низких температурах.

Этот эффект в последние годы использовался для определения стандарта того, что мы подразумеваем под электрическим сопротивлением. В скором времени он может использоваться и для определения килограмма.

Профессор Рудольф Ромер с кафедры физики университета Уорвика сказал: «Это отличный шаг для нас, и мы действительно впервые увидели индивидуальные функции квантовых механических волн электронов в настоящих материалах. На первый взгляд все это далеко от каждодневной действительности. Однако вопрос определения килограмма обсуждается, с интервалом между кольцами уровней Ландау, действующими как маркер универсального веса».

Ученый отметил, что даже когда мы отмеряем сахар для выпекаемого пирога, то бессознательно можем использовать эти квантовые кольца.

Результаты исследования опубликованы в издании Physical Review Letters.

02.10.2012