Учёные впервые увидели, как взаимодействия электронов перестраивают квантовые состояния на краю

Исследователи из Принстонского университета (США) сообщили о визуализации взаимодействием-индуцированной реконструкции краевых состояний в квантовом эффекте Холла. Результаты данного исследования были опубликованы в журнале Nature 17 декабря 2025 года.

---

Во многих топологических фазах существуют безщелевые краевые состояния, свойства которых могут существенно зависеть от взаимодействий между электронами. Даже для наиболее изученных краевых состояний квантового эффекта Холла, формирующихся на границе двумерной электронной системы, сущность изменений, вызванных взаимодействиями, оставалась неуловимой. Несмотря на прогресс в локальных методах зондирования, ключевые экспериментальные проблемы сохранялись: отсутствие прямой информации о внутренней структуре краевых состояний на микроскопическом уровне и влияние неоднородностей края.

Исследовательская группа использовала сканирующий туннельный микроскоп для получения изображений с высоким пространственным разрешением исходных краевых состояний квантового эффекта Холла, электростатически сформированных в графене. Это позволило выявить, как корреляционные эффекты совместно определяют структурные характеристики краевого канала как на магнитной, так и на атомной шкале длин. Для целочисленного квантового состояния Холла в нулевом уровне Ландау они обнаружили, что взаимодействия перенормируют скорость краевого состояния, определяют пространственное распределение совместно распространяющихся мод и индуцируют неожиданную спонтанную краевую поляризацию по долинам, отличную от поляризации в объёме. Хотя часть наблюдений можно объяснить в рамках теории среднего поля, другие явления выявили ограниченность этого подхода, подчеркнув решающую роль краевых флуктуаций и связи между каналами.

Исследование также было расширено до пространственно-разрешённых измерений краевых состояний фрактального квантового эффекта Холла, где удалось зарегистрировать спектроскопические признаки взаимодействий в таких киральных жидкостях Латтинжера. Эта работа утверждает сканирующую туннельную микроскопию в качестве мощного инструмента для изучения физики краёв в двумерных топологических фазах — области, которая быстро развивается и охватывает недавно реализованные состояния, такие как фрактальный квантовый изолятор Черна.