При квантовом эффекте Холла в продольном направлении электрическое сопротивление, как известно, равно нулю. Вот только явление требует сильного магнитного поля и сверхнизких температур. Правда, японские учёные из Института физико-химических исследований RIKEN и Токийского университета полагают, что это не совсем так, по крайней мере в отношении магнитного поля.

Ещё раз: это не сверхпроводимость и даже не настоящее нулевое сопротивление.

И тем не менее значение сопротивления в продольном направлении действительно предельно близко к нулю — во всяком случае в проведённых до сего времени экспериментах.

Ключом к успеху японских исследователей стали материалы, относящиеся к магнитным топологическим изоляторам. В целом (в глубине образца) они действительно являются изоляторами, но на их поверхности электрическое сопротивление при определённых условиях отсутствует.

Состояние, наблюдаемое на поверхности такого трёхмерного топологического изолятора, считается одним из типов двумерного электронного газа, где спин электрона связан с импульсом, то есть зависит от собственного движения электрона. Одна из интереснейших особенностей подобных материалов заключается в следующем:

предположительно, в них нарушается симметрия времени — правда, только в отношении эффектов внутри изолятора.

Рис. 1. Серые и светлые участки (слева) обозначают верхнюю и нижнюю поляризацию. (Здесь и ниже иллюстрации RIKEN).

На практике квантовый эффект Холла был продемонстрирован в 1980-х, и именно он считается теоретической базой процесса протекания электричества без диссипации (рассеивания). Обычно он требует магнитного поля, примерно в 100 тыс. превышающего среднее магнитное поле Земли. Чтобы снять это ограничение, исследователи использовали экзотический тип полупроводника, который, по их расчётам, должен был продемонстрировать способность к аномальному квантовому эффекту Холла, обусловленному скорее внутренним магнетизмом полупроводника, нежели внешним магнитным полем. По мнению учёных,

его причиной в полупроводниках является взаимодействие магнитных ионов с фермионами Дирака, переносящими заряд в топологическом изоляторе и примечательными тем, что они ведут себя как частицы с нулевой массой.

Рис. 2. Активный участок с магнитным изолятором указан слева серым, он всего 3 мкм в ширину и 70 атомов в толщину. Синим показан диэлектрический затвор, а жёлтым — металлические электроды.

В своей работе японцы использовали расщеплённый одиночный кристалл допированного марганцем Bi₂Te_3-ySe_y. По их словам,

уже в ближайшее время такого рода кристаллы можно будет использовать для построения экспериментальных спинтронных устройств.

Пока эффект отсутствия сопротивления на их поверхности присущ материалу только при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю. Но физики полагают, что

нет теоретических препятствий, которые не позволили бы полупроводнику функционировать при комнатной температуре; теперь, по их мнению, всё дело в подборе конкретного вещества.

В случае если эти ожидания оправдаются, проблема потерь электричества при его передачи (а сегодня они достигают 10% от общей выработки) может остаться в прошлом. Хотя для этого придётся не только решить вопрос с температурой работы полупроводников, но и подобрать для них менее экзотические компоненты с более простой структурой.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature.