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电子分数化现象引发科学家困惑
电子在没有磁场的情况下形成带分数电荷的准粒子，揭示全新量子现象。
科学家们发现，电子可以在没有磁场的情况下形成带分数电荷的实体。
自从127年前电子被发现后，它可能是最被深入研究的粒子之一。因此，电子的性质不仅被广泛了解，还成为教科书上的基础知识：电子有微小的质量和负电荷。在导体中，电子可以相对自由地流动形成电流；而在绝缘体中，它们几乎不动。
随着时间的推移，出现了一些新的发现。例如，在强磁场下，电子可以失去其单独的身份，形成“准粒子”：类似于鱼群形成的集体实体。但即便是这些集体状态也已经被详细记录。
所以，当去年发现电子的新现象时，科学界大为震惊。2023年8月，华盛顿大学的研究人员报告称，在两层原子级薄的晶体片稍微错开的情况下，电子表现得像带有分数电荷的准粒子，如−⅔和−⅗。几个月后，麻省理工学院的一个团队在另一种材料中报告了同样的效应。这是电子首次在没有磁场影响的情况下形成分数化准粒子。
尽管早在2011年就有关于这种效应的预测，但理论家们仍在努力理解这一新发现。尚不清楚麻省理工学院团队所用材料中的底层机制是如何运作的；多个团队的计算既不能完全解释这些分数状态，也不能达成一致。其他甚至更奇怪的量子物质相也可能存在。
这一新发现并非偶然，也不限于某种材料。相反，它是普遍且基本的——是电子量子性质的结果，只是这种行为之前一直隐藏着。尽管凝聚态物理学家希望为了自身的研究目标理解电子行为的广泛性，但总有可能发现一个改变世界的技术基础。在这种情况下，这一新发现的效应可能包含着长久以来被追寻的、具有稳定记忆的准粒子的种子，而这些准粒子可能成为新型强大量子计算方法的基础。
离奇的分数
这次发现的故事可以追溯到1879年，当时约翰·霍普金斯大学的研究生Edwin Hall在一条金属带上垂直施加磁场，使流经其中的电子电流被推向带的一边。由此产生的横向电流和相关的横向电阻后来被命名为霍尔效应。
一个世纪后，德国物理学家Klaus von Klitzing在一片超冷纯净的砷化镓薄片上研究霍尔效应。当他增加磁场时，von Klitzing期望看到霍尔电阻逐渐增加。但相反，霍尔电阻并不是连续增长，而是保持平稳，然后跳跃，形成离散的阶梯。这些平台被发现是电子电荷平方的整数倍。
为何会出现这些奇怪的平台？研究人员意识到霍尔电阻不能平滑变化，因为强磁场将电子的能级——它们被允许拥有的速度——推得很远。这种分离意味着略微增加磁场不会改变什么；电子仍然必须保持相同的速度，因此也经历相同的电阻。只有大幅增加磁场，电子才能跳到下一个能级。
1982年，Bell实验室的三位物理学家发现了一系列新的电阻平台，这次是电子电荷平方的分数值之一。Horst Störmer在获得诺贝尔奖后的演讲中描述了这些分数的奇异：“许多电子共同作用，可以创造出比任何单个电子电荷更小的新粒子。这不是事物应有的方式。” Störmer和他的同事们使用了相同的材料，类似的实验设置，当然，也使用了相同的不可分割的电子——那么这些离奇的分数是从哪里来的呢？
理论家们将其归因于材料中每个电子之间精细的排斥相互作用。这些相互作用是“缺失的成分”，Stony Brook大学的凝聚态理论家Jennifer Cano说道。相互作用的电子如此精妙地排列，能够聚集磁场线形成新准粒子，称为复合费米子。虽然单个电子占据整数n的能级，复合费米子则占据遵循n/(2n + 1)规则的能级，形成一系列分数。另一种解释是，分数量子霍尔效应就像整数量子霍尔效应，但准粒子携带的是分数电荷。
无需磁场的新现象
在这一发现之前，分数量子霍尔效应一直需要磁场的辅助。但去年，研究人员发现电子可以在没有磁场的情况下形成分数化的准粒子。华盛顿大学和麻省理工学院的研究团队分别在不同材料中观察到了这一现象。
在华盛顿大学的实验中，研究人员使用了两层原子级薄的晶体片，并将它们稍微错开。结果显示，电子竟然表现得像带有分数电荷的准粒子，例如−⅔和−⅗。麻省理工学院的团队在另一种材料中也发现了类似的现象。
这一发现的意义在于它揭示了电子的新量子行为，而这种行为并不依赖于磁场。这意味着，电子的量子性质比我们之前想象的更加丰富多彩。研究人员正在努力理解这一现象的底层机制。尽管早在2011年就有关于这种效应的理论预测，但直到去年，人们才在实验中首次观察到这种现象。
潜在的应用前景
这种新发现不仅对基础科学研究具有重要意义，还可能带来实际应用。凝聚态物理学家希望通过研究电子行为的多样性，发现可能改变世界的技术。在这种情况下，这一新效应可能为开发新的、强大的量子计算方法提供基础。
随着研究的深入，科学家们可能会揭示更多关于这些分数化准粒子的秘密，从而推动量子计算技术的发展。目前，研究人员正在继续探索这些新奇的量子现象，希望能更全面地理解电子的量子行为。
电子的奇妙舞蹈
在强磁场环境下，科学家发现了整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应。但他们也在思考，是否一定需要磁场才能观察到这些现象？上世纪80年代末，加州大学圣迭戈分校的理论物理学家Duncan Haldane预测，即使没有外部磁场，仍可能看到整数量子霍尔效应，这被称为量子反常霍尔效应(“反常”指无需外部磁场)。Haldane设想了一种二维六边形原子晶格，电子在其中跳跃，改变位置，就像内部磁场一样推动电子能级分裂。
2012年，中国清华大学的一组研究人员制作了一种由铋、锑和碲组成的金属薄膜，加入少量铬以提供有效的内部磁场。当他们在没有外部磁场的情况下通过薄膜通电时，霍尔电阻中出现了典型的整数量子霍尔效应平台。
与此同时，三组独立的研究团队设想了如何创建分数量子反常霍尔效应，其特征是在电子电荷平方的分数值上形成一系列平台。要实现这一效应，假设的材料需要强大的内部磁场，并且必须支持导致电子在磁场中自我组装成复合费米子的复杂多体相互作用。普林斯顿大学的凝聚态物理学家B. Andrei Bernevig曾参与其中一篇相关论文的研究，他表示：“我以为这永远不会实现。”
然而，他们没预料到的是，出现了一类全新的二维材料。
魔幻的莫尔图案
2004年，经过几十年的努力，物理学家成功分离出一张石墨烯——一种碳原子构成的六边形晶格——这通过一种新颖的剥离技术实现：他们用透明胶带从一块石墨中剥离出石墨烯薄片。像石墨烯这样的二维材料很快显示出有趣的电子行为。几年后，物理学家在室温下对石墨烯施加强磁场，观察到了整数量子霍尔效应。
但是真正让二维材料成为研究平台的是“莫尔材料”。“莫尔”(moiré)一词传统上指的是覆盖两层织物(如丝绸)所产生的波纹图案。物理学家借用这个词来描述当原子层错开角度或尺寸略有不同时产生的图案。
与传统的三维材料相比，二维莫尔材料具有极强的可定制性。系统中的微小变化可以带来巨大的变化。例如，2017年，麻省理工学院的研究人员将两层石墨烯精确地扭曲到1.1度。冷却到接近绝对零度时，这种莫尔材料表现出最诱人的量子态之一：超导性，即电子以零电阻流动。调整扭曲角度半度，超导性就会消失。几乎一夜之间，许多研究小组转向研究莫尔材料。
“你正在超越自然意图让这些晶体看起来的样子，通过人为地组装它们，”华盛顿大学的物理学家Matthew Yankowitz说。
一些研究人员，包括康奈尔大学的物理学家Jie Shan和Kin Fai Mak，致力于研究一种称为过渡金属二硫族化物(TMDs)的二维晶体。这些半导体材料如硅一样，非常适合研究电子行为。当Shan和Mak用TMDs创建莫尔材料时，出现了有趣的现象。一种TMD莫尔材料表现出量子反常霍尔效应，但其分数量子霍尔效应仍难以实现。
分数与反常的突破发生在一年前，华盛顿大学的Xiaodong Xu团队在由叠加和扭曲的二碲化钼(一种TMD)层组成的莫尔材料中，观察到了分数量子反常霍尔效应。这是首次在没有外部磁场的情况下，明确观察到分数电荷。几周后，上海交通大学研究人员在另一种莫尔材料中也观察到了相似的现象，进一步证实了这一突破性的发现。这个现象不仅验证了理论预测，还展示了二维材料在量子态研究中的巨大潜力。
本文译自 Quanta Magazine，由 BALI 编辑发布。