Заряженные частицы в магнитном поле испытывают силу, перпендикулярную их направлению движения, — силу Лоренца, — которая заставляет их двигаться по круговым (циклотронным) орбитам в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Таким образом, достаточно сильное магнитное поле может резко изменить свойства материала, вызывая новые квантовые явления, такие как квантовый эффект Холла.
Орбиты циклотрона сужаются с увеличением магнитного поля. Для типичных значений напряженности поля их размер намного больше, чем расстояние между соседними ионами в материале, и роль кристалла незначительна. Однако для чрезвычайно больших магнитных полей две шкалы длины становятся сопоставимыми, и взаимодействие между магнитным полем и кристаллическим потенциалом приводит к новым поразительным эффектам.
Они проявляются, например, во фрактальной структуре энергетического спектра, которая была впервые предсказана Дугласом Хофштадтером в 1976 году и известна как бабочка Хофштадтера. С ним связаны многие интригующие свойства электронного материала, но до сих пор эксперименты не могли раскрыть всю сложность проблемы.
Для реальных материалов войти в режим Хофштадтера обычно очень сложно, потому что расстояние между соседними ионами очень мало. Поэтому необходимо применять недоступно большие магнитные поля. Одним из решений является синтез искусственных материалов с существенно большими постоянными решетки, например, в двух наложенных друг на друга листах графена и нитрида бора.
Эксперименты, проведенные исследовательской группой в Мюнхене, основаны на альтернативном подходе. В их экспериментах большие магнитные поля создаются искусственно путем воздействия на ультрахолодные атомы специально разработанных лазерных полей.
Система состоит из атомов рубидия, охлажденных до очень низких температур, которые заключены в периодическую структуру, образованную стоячими волнами лазерного света. «Атомы могут располагаться только в областях с высокой интенсивностью света и иметь двумерную структуру, похожую на яйца в картонной коробке для яиц», — объясняет Моника Айдельсбургер, физик из команды профессора Блоха. «Лазерные лучи играют роль ионного кристалла, а атомы — одного из электронов».Однако, поскольку атомы нейтральны, на них не действует сила Лоренца в присутствии внешнего магнитного поля. Задача заключалась в разработке метода, имитирующего силу Лоренца для нейтральных частиц.
Комбинация наклона решетки и одновременного ее встряхивания с помощью дополнительной пары скрещенных лазерных лучей позволяет атомам перемещаться в решетке и совершать циклотронное движение, подобное заряженным частицам в магнитном поле. Таким образом, команде удалось создать сильные искусственные магнитные поля, достаточно высокие, чтобы получить доступ к режиму бабочки Хофштадтера.Кроме того, исследователи смогли реализовать так называемый спин-эффект Холла, то есть две частицы с противоположным спином испытывают магнитное поле одинаковой силы, но направленное в противоположном направлении.
Как следствие, направление силы Лоренца противоположно для двух спинов, и поэтому циклотронное движение меняется на противоположное. В их экспериментах два спиновых состояния эффективно реализовывались двумя разными состояниями атомов рубидия.
В будущих экспериментах метод, использованный исследователями, может быть использован для изучения богатой физики модели Хофштадтера с использованием чистой и хорошо контролируемой среды ультрахолодных атомов в оптических решетках. Различные новые экспериментальные методы, такие как квантовый газовый микроскоп для обнаружения отдельных атомов, могут способствовать более глубокому пониманию свойств материала, непосредственно наблюдая за микроскопическим движением частиц в решетке.
Новый метод может также открыть дверь для исследования новых квантовых фаз материи в экстремальных экспериментальных условиях.