26.10.2010

Предложен новый метод оценки постоянной тонкой структуры

Сотрудники Стэнфордского и Мэрилендского университетов (США) предложили новый метод оценки постоянной тонкой структуры α.

Постоянная, введённая немецким физиком Арнольдом Зоммерфельдом в 1916 году, характеризует электромагнитное взаимодействие. В системе СГСЭ α определяется выражением

где e — заряд электрона, ћ = h•(2•π)-1 — приведённая постоянная Планка, c — скорость света. Размерности α не имеет, а её значение близко к 1/137.

Разрабатывая свой способ измерения, авторы ориентировались на уже известные топологические эффекты в физике конденсированных сред, которые используются для определения постоянных. Так, наблюдение эффекта Джозефсона в сверхпроводниках позволяет измерять квант магнитного потока Φ₀ = h•(2•e)^-1, а холловская проводимость в квантовом эффекте Холла квантуется в единицах G₀ = e²/h. Объединение этих измерений даёт наиболее точное значение постоянной Планка.

Американцы рассматривают сравнительно недавно открытый класс материалов, называемых топологическими изоляторами. Теоретически предсказано, что в этих материалах, которые демонстрируют металлическую проводимость у поверхности, но в объёме ведут себя подобно диэлектрикам, должен проявляться «топологический магнитоэлектрический эффект», квантуемый в единицах α.

В предложенной схеме измерений тонкий образец топологического изолятора располагается на обычной непроводящей подложке и помещается во внешнее магнитное поле, направленное перпендикулярно ему. На образец направляется излучение, после чего экспериментаторы должны определить углы керровского и фарадеевского вращения. Поясним: керровским вращением называют изменение направления поляризации отражённого света, фарадеевским — то же в случае света, прошедшего сквозь оба слоя.

Если физики сумеют выполнить такое измерение, то по довольно простой формуле, связывающей два угла, они рассчитают α. В опыте можно использовать любой доступный топологический изолятор: (Bi₂Se₃, Bi₂Te₃, Sb₂Te₃, соединения таллия), поскольку от его характеристик — диэлектрической ε и магнитной μ проницаемости — результат не зависит.

По словам одного из участников исследования Шоу-Чэн Чжана (Shou-Cheng Zhang), работы по регистрации «топологического магнитоэлектрического эффекта» сейчас проводятся сразу в трёх лабораториях.

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА