Robert B. Laughlin

Nagrodę otrzymali Robert B. Laughlin, Horst L. Störmer, Daniel C. Tsui (USA) za odkrycie, że elektrony pod wpływem silnego pola magnetycznego zachowują się jak układ silnie związanych ze sobą quasicząstek, tzw. ciecz kwantowa (ułamkowe kwantowe zjawisko Halla).

Horst Störmer, Robert Laughlin, Daniel Tsui Edwin Hall wykrył, że jeśli przez przewodnik umieszczony w polu magnetycznym przepływa prąd elektryczny, to w kierunku prostopadłym zarówno do kierunku przepływu prądu, jak i pola magnetycznego pojawia się niewielkie napięcie elektryczne. Zjawisko to, nazwane później efektem Halla.
W następnych latach obserwowano skwantowane wartości poprzecznego oporu Halla. Nazwano to kwantowym efektem Halla. W maju 1982 roku trzej badacze z Bell Laboratories, D.C. Tsui, H.L. Störmer i A.C. Gossard, donieśli o odkryciu ułamkowego kwantowego efektu Halla!

Horst L. Störmer

Aby to wyjaśnić Laughlin zaproponował pewną funkcję opisującą dwuwymiarowy układ oddziałujących ze sobą elektronów. Funkcja ta przewiduje występowanie minimów energii układu dla dwóch sekwencji ułamkowego stopnia zapełnienia: 1/3, 1/5, 1/7,... oraz 2/3, 4/5, 6/7,... Dokładniejsza analiza teoretyczna pokazała, że dla tych konkretnych ułamków układ elektronów ma właściwości charakterystyczne dla cieczy.
Ciecz kwantowa Laughlina jest to stan materii o właściwościach zupełnie nie podobnych do wszystkich innych stanów skupienia materii skondensowanej. Jest ona niezwykle nieściśliwa. Jej gęstość można zwiększyć powyżej szczególnych wartości ułamkowych, jedynie przez dostarczenie energii prowadzącej do wytworzenia pewnych wzbudzeń elementarnych. Wzbudzenia te są najbardziej egzotyczną konsekwencją teorii Laughlina. Są to kwazicząstki o ułamkowym ładunku elektrycznym! Na przykład wzbudzeniu stanu cieczy kwantowej o gęstości odpowiadającej

Daniel C. Tsui

ułamkowi zapełnienia 1/3 odpowiada kwazicząsteczka o ładunku równym 1/3 ładunku elementarnego. Nie są one fermionami (jak np. elektrony), którym zakaz Pauliego zabrania gromadzić się w tym samym stanie kwantowym, ani bozonami (jak np. związane pary elektronów w nadprzewodnikach), które dążą do skupiania się w tym samym stanie. Kwazicząstki te nazwano anyonami, co można by tłumaczyć na polski jako "cokolwiekony".
Czy są to tylko wyrafinowane spekulacje teoretyków? W 1997 roku, niezależnie od siebie, dwie grupy badaczy z Izraela i Francji wykazały występowanie w transporcie elektronowym, w warunkach ułamkowego kwantowego efektu Halla, nośników ładunku równego 1/3 ładunku elementarnego. A więc hipoteza została potwierdzona doświadczalnie i to było zapewne decydującym argumentem w przyznaniu Robertowi Laughlinowi, Horstowi Störmerowi i Danielowi Tsui, Nagrody Nobla.

Schemat próbki do pomiaru efektu Halla.

Störmer zapytany, do czego mógłby służyć ułamkowy kwantowy efekt Halla, odpowiedział, że zapewne nie zrewolucjonizuje on telekomunikacji. Prace nad doskonaleniem heterostruktur półprzewodnikowych, odpowiednich do obserwacji tego efektu, doprowadziły jednak do konkretnego wyniku: konstrukcji tranzystora HEMT (tranzystora polowego z wysoką ruchliwością elektronów w kanale), który jest dzisiaj szeroko stosowany w telefonii komórkowej.
Nikt nigdy wcześniej nie przypuszczał, że redukcja jednego wymiaru przestrzennego zmusi fizyków do rozpatrywania tak niezwykłych obiektów, jak anyony o ułamkowym ładunku. Badania ułamkowego kwantowego efektu Halla trwają i w każdej chwili można spodziewać się dalszych niespodzianek. Tymczasem nowe idee, wprowadzone w teorii ułamkowego kwantowego efektu Halla, znalazły już zastosowania w innych gałęziach fizyki ciała stałego.

---