Аккуратная стопка атомных слоёв лежит на подложке. Сверху падает невидимый луч терагерцового света, а сбоку приложено магнитное поле. Отразившись, луч чуть-чуть поворачивает свою поляризацию. Этот поворот — не дефект оптики, а прямое свидетельство: на поверхности плёнки скопился электрический заряд.
Само явление называется топологическим магнитоэлектрическим эффектом. В глубине материала электроны движутся сложным образом, и когда включается магнитное поле, на верхней и нижней гранях возникает разность зарядов — как если бы невидимая рука сдвинула облако электронов к одному краю.
Обычно такой заряд пытаются измерить электрическими контактами. Но материал не идеальный изолятор — он всё же немного проводит ток, и эта фоновая проводимость смазывает картину. Авторы работы пошли другим путём: они направили на плёнку короткие импульсы терагерцового излучения и следили за тем, как меняется поляризация отражённого луча. Эффект называют вращением Фарадея. Их установка ловила поворот плоскости поляризации с точностью до 0,0003 радиана — примерно как заметить наклон в один миллиметр на расстоянии трёх метров. И что важно: методу почти не мешает остаточная проводимость. Даже когда она сравнима с полезным сигналом, ошибка не превышает 0,3%.
Плёнка была сделана из теллурида висмута-сурьмы с добавлением хрома — это топологический изолятор. Внутри он ведёт себя как изолятор, а по поверхности электроны могут двигаться свободно, словно по скоростной магистрали. Измерения провели под двумя углами падения луча — 45° и 60°. Полученные значения накопленного заряда совпали в пределах погрешности, а это серьёзный аргумент в пользу того, что оптический метод работает честно.
В перспективе тот же подход можно применить для прямой проверки четырёхмерного квантового эффекта Холла — явления, которое пока существует в основном на бумаге. Для этого понадобятся плёнки потоньше и ещё более точная оптика. Но первый шаг уже сделан: свет замечает то, что не видят провода.
Терагерцовое излучение иногда называют «терагерцовым зазором» — долгое время не существовало ни компактных источников, ни чувствительных детекторов для этого диапазона, хотя он крайне интересен и для физики твёрдого тела, и для биомедицины.