光首次模仿了諾貝爾獎得主的量子效應

簡而言之，磁場將帶負電的電子推向導體的一側。這種電荷積聚使一個邊緣帶負電，而另一邊緣帶正電，從而產生可測量的電位差。

多年來，科學家一直利用這種效應作為可靠的工具。它使他們能夠高精度測量磁場並確定材料摻雜水平，即向純材料中添加少量受控雜質以改變其導電方式。

從經典霍爾效應到量子霍爾效應

20 世紀 80 年代，研究人員在極低溫度下研究極細導體，取得了驚人的發現。當這些片狀材料暴露在非常強的磁場中時，側電壓並沒有平穩增加。相反，它以精確定義的步驟上升。

事實證明，這些被稱為高原的平坦區域是普遍存在的。它不取決於材料的成分、形狀或微觀缺陷。它們的值僅由自然的基本常數決定：電子的電荷和普朗克常數。

這種現象稱為量子霍爾效應。它的重要性很快就得到了認識，並最終獲得了三項諾貝爾物理學獎：1985年因發現量子霍爾效應、1998年因發現部分量子霍爾效應、2016年因發現物質拓撲相而獲得。

為什麼光是一個如此大的挑戰？

直到最近，量子霍爾效應主要在電子中觀察到。由於電子帶有電荷，因此它們直接響應電場和磁場。光子是光的粒子，不帶電荷，因此通常不與這些力相互作用。

因此，用光重現量子霍爾效應似乎非常困難。

光的定量漂移觀察

一個國際研究小組現已透過演示光的量子切向漂移實現了這一目標。他們的研究結果發表在 體檢。

「光以量子方式漂移，遵循類似於強磁場下電子所看到的全局步驟，」蒙特利爾大學物理學教授、該研究的合著者菲利普·聖讓說。

這項發現的潛在影響是巨大的。在計量學（精確測量的科學）中，光學系統有一天可以成為全球參考標準，或許與電子系統一起工作，甚至取代電子系統。

對測量和標準的影響

量子霍爾效應已經在現代計量學中發揮核心作用。

「如今，千克是根據基本常數來定義的，使用機電設備將電流與質量進行比較，」聖讓解釋道。 「為了完美校準該電流，我們需要一個全球電阻標準。

“量子霍爾高原給了我們這樣的東西。多虧了它們，世界上每個國家都對質量有相同的定義，而不依賴物理人工製品。”

聖讓表示，獲得對光通量擴展方式的精確量子控制不僅在計量學中是可能的，而且在量子資訊處理中也是可能的。它也可能有助於打造更靈活的量子光子電腦。

與理想量化的微小偏差也可能有用。即使很小的偏差也可能揭示隱藏的環境幹擾，從而為新型高靈敏度感測器打開了大門。

設計光子學的未來

「觀察特定量的光是一個獨特的挑戰，因為光系統本質上是不平衡的，」聖讓指出。 “與電子不同，光需要精確的控制、操縱和穩定性。”

該團隊的成就是基於先進的實驗工程。他們的工作為設計能夠以強大的新方式傳輸和處理資訊的下一代光學設備提供了新的機會。