Kwantowy anomalny efekt Halla (QAHE), po raz pierwszy zaobserwowany w magnetycznym izolatorze topologicznym (Bi,Sb)2Te3 domieszkowanym Cr/V [1], może stać się przełomowym odkryciem w kwantowej metrologii, dzięki możliwości zdefiniowania nowej generacji kwantowych standardów oporu [2,3]. Rzeczywiście, jednym z celów nowoczesnej metrologii jest połączenie różnych standardów w tzw. kwantowe narzędzie metrologii elektrycznej, jedną aparaturę pomiarową, która będzie w stanie wykonać pomiary oporu kwantowego, napięcia i prądu, tj. uniwersalny standard elektryczny. Konwencjonalne kwantowe standardy oporu opierają się na całkowitym kwantowym efekcie Halla. Duże zewnętrzne pole magnetyczne wymagane do ustanowienia efektu Halla sprawia, że kwantowy standard napięcia (oparty na efekcie Josephsona) przestaje działać [4]. Natomiast QAHE umożliwi połączenie standardów, oferując kwantyzację oporu przy zerowym zewnętrznym polu magnetycznym [3]. Jest to również ważne w kontekście niedawnej redefinicji systemu SI, ponieważ jednostka masy, kilogram, jest teraz zdefiniowana na podstawie stałej Plancka (h). Ponieważ bezpośredni dostęp eksperymentalny do wartości h z wystarczającą precyzją jest trudny, alternatywne metody oparte na jednoczesnych pomiarach skwantowanego oporu i napięcia zyskują na znaczeniu (skwantowany opór daje wartość h/e^2, a napięcie wartość 2e/h, co razem pozwala uzyskać zarówno e, jak i h, gdzie e to ładunek elementarny).

W tym wykładzie omówię naszą niedawną demonstrację kwantowego standardu oporu przy zerowym zewnętrznym polu magnetycznym z wykorzystaniem QAHE, z precyzją kwantyzacji i dokładnością na poziomie kilku części na miliard (lub 10^-9) [3], po raz pierwszy przekraczając odpowiednie progi dla kwantowego standardu oporu. Pokazując, że efekt ten rzeczywiście może być użyty w metrologii, został on zrealizowany w bardzo trudnych warunkach eksperymentalnych (skrajnie niska temperatura i niski prąd elektryczny). Efekt ten będzie musiał zostać znacznie wzmocniony, aby umożliwić zastosowania w głównym nurcie metrologii, a w trakcie wykładu pokażę, dlaczego nasze niedawne wyniki dają nam pewność, że jest to możliwe [5,6].

[1] C.-Z. Chang et al.. Science 340, 167-170 (2013).
[2] Y. Okazaki et al.. Nature Physics 18, 25-29 (2022).
[3] D. K. Patel, K. M. Fijalkowski et al. Nature Electronics 7, 1111-1116 (2024).
[4] J. Brun-Picard et al. Physical Review X 6, 041051 (2016).
[5] K. M. Fijalkowski et al. Nature Communications 12, 5599 (2021).
[6] K. M. Fijalkowski et al. Nature Electronics 7, 438-443 (2024).