科学家在极低温砷化镓薄膜中，首次在两个独立实验室测得仅具四分之一电子电荷的准粒子，为拓扑量子计算奠定关键基础。
在日常生活中，电子的电荷就像一枚硬币，通常无法被分割成更小的碎片。然而，当电子被冷却到接近绝对零度，并被限制在强磁场下的二维平面内时，它们会通过强相互作用组装成一种全新的集体状态，表现出仿佛只拥有分数电荷的准粒子。这种现象在物理学界被称为分数量子霍尔效应。其中，偶数分母态因可能孕育出一种被称为非阿贝尔任意子的特殊准粒子，一直吸引着无数物理学家的目光。
之所以这些神奇的准粒子备受瞩目，是因为它们独特的量子属性使其成为构建抗干扰拓扑量子计算机的理想载体。在传统的量子系统中，环境噪声极易破坏脆弱的量子信息，而非阿贝尔态则像是一种结构蓝图，将量子信息保存在系统的全局几何特征中，而不是某个单一的点上，从而天然免疫局部缺陷和环境噪声的干扰。科研人员只需将这些准粒子互相编织、移动，就能实现无错的量子计算。
为了寻找这种特殊的量子态，来自洛桑联邦理工学院的 Mitali Banerjee 团队、威茨曼科学研究所的 Moty Heiblum 团队以及普林斯顿大学的 Mansour Shayegan 团队，共同展开了一项针对ν=1/2分数量子霍尔态的深入研究。这种特殊状态形成于70纳米宽的砷化镓半导体薄层中，而砷化镓也是广泛应用于光电子、无线通信以及太阳能电池板的关键材料。
在发表于 Physical Review Letters 的研究成果中，两家独立实验室带来了令人振奋的突破。Mitali Banerjee 表示，这是该领域历史上首次由两个不同的实验小组在各自的实验室里测量到了完全相同的分数量值。为了精准测定ν=1/2状态下准粒子所带的电荷量，研究人员在70纳米宽的砷化镓器件中制造了一个被称为量子点接触的狭窄通道。当电流穿过这个狭窄通道时，准粒子会发生部分散射，产生一种被称为散粒噪声的微小电信号波动。这就像雨滴敲打屋顶发出的声音，通过测量电噪声的起伏幅度，就能反推出每一个电荷载体究竟携带着多少电荷。
研究人员采用特殊的蚀刻技术制备了量子点接触结构，并在周围铺设金属栅极，以此精细调控通道的通断。在正式测试之前，两家实验室首先在各自近乎相同的器件上验证了测量方法的准确性，成功测出了已知状态下的单个完整电子电荷和2/3电子电荷。
随后，当他们将这套技术应用于ν=1/2状态时，洛桑联邦理工学院和威茨曼科学研究所的两台器件给出了高度一致的答案：准粒子携带的电荷量极其接近1/4个电子电荷。具体而言，一台器件测得的数据为0.250±0.013，另一台器件的数据则为0.249±0.018，两者均精准对应1/4电子电荷。这一发现极其重要，因为这种量子霍尔态不仅能够在几开尔文的温度下保持稳定，更是目前在砷化镓材料中已知第二个具备非阿贝尔特性的神奇状态，为未来终极拓扑量子计算机的发展迈出了坚实的一步。
原文：https://phys.org/news/2026-09-rare-quantum-state-reveals-particles.html