介意想不到的资猜中观测到闻名的量子效应

  电子是电的根本单位，一个电子带着一个负电荷——这是咱们从中学开端就知晓的“知识”，在天然界的大多数资猜中，现实也的确如此。可是，在特别的物态下，电子带着的电荷可所以比单位电荷小的分数，这就如同电子以某种方法割裂成了更小的粒子，每个粒子都带着电子的一部分电荷。

  曩昔，物理学家现已经过试验屡次观测到过所谓的“分数量子霍尔效应”。不过其间大多都是在很强壮的、精心保持的磁场下观测到的。不需要施加额定磁场的分数量子霍尔效应被称为“分数量子失常霍尔效应”。

  在一项新发表于《天然》杂志的研讨中，由麻省理工学院的巨龙（Long Ju）教授领导的物理学家团队，在一种意想不到的资料——五层石墨烯中，观测到了这个难以捉摸的效应。

  分数量子霍尔效应是一种古怪的量子现象。当粒子从单个粒子的行为，转变为作为一个全体的团体行为时，就会呈现这样一种现象。

  这种团体的“相关”行为呈现在特别的状态下，例如，当电子从一般的高速运动转变成缓慢运动时，它们能“感知”互相，并发生相互作用。这些相互作用可以发生稀有的电子态，比方电子电荷的割裂。

  “分数电荷”是种极为稀有的现象，假如能成功捕获和操控这种奇特的电子态，就十分有或许发明出有康复力的、能容错的量子核算机。而“无磁场”的分数量子失常霍尔效应为拓扑量子核算拓荒了新的远景，其间的拓扑部分可以在履行核算时为量子比特供给额定的维护。

  1982年，科学家在砷化镓的异质结构中发现了分数量子霍尔效应：其时，科学家经过施加强度大约是核磁共振成像仪的10倍的磁场，来减缓资猜中的电子的速度，使它们可以相互作用。他们观察到，资猜中的电子表现出了奇特的特性——电子集合在一起构成电荷仅为一个单位电荷的分数的准粒子。

  这一成果令一切人都感到惊奇，由于其时乃至没有相关的理论猜测。1998年，三位对分数量子霍尔效应做出巨大贡献的物理学家也因而荣获了诺贝尔物理学奖。

  2023年8月，华盛顿大学的一组科学家，在一种名为二碲化钼的歪曲半导体中，初次观测到了这种无需高磁场操作的分数量子失常霍尔效应。

  同月，巨龙和他的团队也观测到了失常分数电荷的痕迹，但他们是在石墨烯中观测的。石墨烯是一种具有许多特别特性的资料。巨龙的团队所研讨的是一种由五层石墨烯层堆叠构成的结构，每一层都略微互相违背，就像楼梯上的台阶相同。

  这种五层石墨烯结构是嵌在石墨中的，可以终究靠通明胶带剥离得到。在超低温度的环境下，这种结构中的电子会变得很缓慢，并以在高温下一般不会呈现的方法相互作用。

  分数量子霍尔效应一般在十分强的磁场下才会呈现。在新的研讨中，物理学家在简略的石墨烯中观测到了这种现象。在一个由五层石墨烯和六方氮化硼（hBN）构成的莫尔超晶格中，电子（蓝球）发生激烈的相互作用，表现出它们如同被割裂成分数电荷。（图/Sampson Wilcox, RLE via MIT News）

  在新的研讨工作中，巨龙的团队先是进行了一些核算，发现假如将这种五层石墨烯结构与六方氮化硼（hBN）对齐，电子之间的相互作用就或许会更激烈。六方氮化硼是一种与石墨烯有着相似的原子结构、但尺度略有不同的资料。当二者结合，应该能发生一个莫尔超晶格，这是一种杂乱的、相似脚手架的原子结构，可以以模仿磁场的方法，减慢电子的速度。

  首要，他们从一块石墨上剥离石墨烯层，然后运用光学东西辨认阶梯状结构中的五层薄片。接着，他们将石墨烯薄片压印在六方氮化硼薄片上，并在石墨烯上再放置一个六方氮化硼薄片。最终，他们将电极连接到这个结构上，并将其置于挨近绝对零度的环境中。

  当他们对这一资料施加电流，并丈量输出电压时，发现分数电荷的特征开端闪现——它们测得的电压等于电流乘以一个分数和一些根本物理常数。这让研讨人员大为震动。经过进一步剖析，研讨人员证明了石墨烯结构的确表现出分数量子失常霍尔效应。

  这一成果令一切研讨人员感到惊喜，这是初次在晶体石墨烯中观测到“分数量子失常霍尔效应”，在此之前，物理学家乃至没有预料到它能表现出这种效应。这一发现将为一些量子技能的开展带来新的期望，并有助于物理学家探究许多根本的物理概念和使用。