Фізики вперше змогли відтворити знаменитий квантовий ефект Холла, за який свого часу було присуджено Нобелівські премії, але цього разу — не з електронами, а зі світлом. Дослідники показали, що фотони можуть поводитися за тими ж дивними квантовими законами, які раніше вважалися притаманними лише зарядженим частинкам. Щоб зрозуміти важливість відкриття, варто повернутися в кінець XIX століття. Тоді вчені відкрили так званий ефект Холла. Він виникає, коли через матеріал проходить електричний струм, а на нього водночас діє магнітне поле під прямим кутом. У такій ситуації на бокових сторонах провідника з’являється різниця потенціалів — так звана поперечна напруга. Причина досить проста. Магнітне поле змушує негативно заряджені електрони відхилятися до одного боку провідника. У результаті на цьому боці накопичується негативний заряд, а протилежна сторона стає відносно позитивною. Саме ця різниця зарядів і створює вимірювану напругу. Протягом десятиліть цей ефект активно використовують у науці та техніці, зокрема для вимірювання магнітних полів або визначення властивостей матеріалів. Справжній прорив стався у 1980-х роках. Фізики, які досліджували надтонкі провідники при наднизьких температурах і в дуже сильних магнітних полях, помітили дивну особливість: поперечна напруга змінювалася не плавно, а стрибками. З’являлися так звані «плато» — ділянки, де значення напруги залишалося стабільним. Ще більш дивним було те, що ці значення виявилися універсальними: вони не залежали ні від матеріалу, ні від його форми, ні від мікроскопічних дефектів. Вони визначалися лише фундаментальними константами природи — зарядом електрона та сталою Планка. Так з’явився квантовий ефект Холла, відкриття якого принесло одразу кілька Нобелівських премій з фізики — у 1985, 1998 та 2016 роках. З часом це явище стало ключовим інструментом для точних наукових вимірювань. Однак до недавнього часу квантовий ефект Холла спостерігали лише у системах з електронами. І причина очевидна: електрони мають електричний заряд і реагують на електричні та магнітні поля. Фотони ж, тобто частинки світла, заряду не мають, тому безпосередньо на такі поля не реагують. Через це довгий час вважалося, що відтворити квантовий ефект Холла за допомогою світла практично неможливо. Міжнародна команда дослідників змогла подолати цю проблему. У новому експерименті вони спостерігали так зване квантоване поперечне зміщення світла. Інакше кажучи, світлові хвилі «дрейфували» у боковому напрямку не довільно, а чіткими квантовими кроками — подібно до поведінки електронів у сильному магнітному полі. За словами фізика Філіпа Сен-Жана з Монреальського університету, світло в експерименті рухалося ступінчасто, повторюючи ті самі універсальні закономірності, які раніше спостерігали лише для електронів. Це відкриття може мати серйозні наслідки для науки і технологій. Зокрема, воно може вплинути на метрологію — науку про надточні вимірювання. Сьогодні квантовий ефект Холла вже використовується як універсальний еталон електричного опору. Завдяки цьому всі країни світу можуть використовувати однакові стандарти вимірювань, не покладаючись на фізичні зразки чи артефакти. Якщо ж подібні квантові ефекти вдасться стабільно реалізувати в оптичних системах, світло може стати новим інструментом для створення глобальних стандартів вимірювання. Крім того, керування світлом у квантованих режимах відкриває перспективи для розвитку квантових технологій — від надточних сенсорів до майбутніх фотонних квантових комп’ютерів. Вчені зазначають, що навіть незначні відхилення від ідеальної квантової поведінки можуть бути корисними. Вони можуть сигналізувати про найменші зовнішні впливи, що дозволить створити надчутливі сенсори нового покоління. Втім, реалізувати такий експеримент було надзвичайно складно. На відміну від електронів, фотонні системи дуже чутливі до нестабільності та потребують точного контролю. Дослідникам довелося розробити складну експериментальну установку та ретельно керувати поведінкою світла. Отримані результати показують, що фотоніка може стати одним із ключових напрямків майбутніх квантових технологій. А сам експеримент демонструє: навіть добре відомі фізичні явища можуть проявлятися у зовсім нових формах, якщо поглянути на них під іншим кутом.