令人困惑的奇特的電子聚集體出現(xiàn)

在人類發(fā)現(xiàn)電子以來的127年里，電子這種粒子所受到的關注可能比其他任何粒子都多。因此，它的性質(zhì)眾所周知，并且被確定無疑地寫在了教科書中：電子質(zhì)量極小，帶負電荷，可在導體中不受阻礙地游動形成電流，而在絕緣體中幾乎不移動。

但隨著時間的推移，例外情況也在不斷出現(xiàn)。比如，在強磁場下，電子會失去其個體性質(zhì)，形成“準粒子”，就像是一群游魚組成的集體實體。但就算是這樣的特殊狀態(tài)，目前也已經(jīng)被很好地研究和歸納總結(jié)。

然而，2023年科學家在對電子的研究中發(fā)現(xiàn)了一種新的效應，這令人十分震驚。華盛頓大學的研究人員在2023年8月的報告中稱，當兩片原子尺寸厚度的晶體片以小角度偏移并堆疊在一起時，電子將具有準粒子的性質(zhì)，并帶有分數(shù)電荷。幾個月后，麻省理工學院的科研團隊在另一種材料中發(fā)現(xiàn)了同樣的效應。這是科研人員首次在沒有磁場影響的情況下使電子形成分數(shù)電荷準粒子。

雖然早在2011年，就有關于這種特殊效應可能存在的預測，但理論物理學家仍然對這一新發(fā)現(xiàn)感到困惑。目前尚不清楚麻省理工學院科研團隊的材料中存在怎樣的潛在機制。幾個團隊的計算結(jié)果既沒有完全解釋分數(shù)電荷狀態(tài)的產(chǎn)生原因，彼此之間也沒有達成一致。或許還存在其他更奇特的量子物質(zhì)相。

這一新發(fā)現(xiàn)并非偶然，也不只存在于某種材料。相反，它是一種十分普遍且基本的效應，是電子量子性的結(jié)果，盡管其直接原因尚未明確。雖然凝聚態(tài)物理學家一直致力于了解電子廣泛的實際用途，但他們總是有機會發(fā)現(xiàn)那些足以改變世界的技術(shù)的基礎原理。這次的全新發(fā)現(xiàn)可能有助于尋找具有穩(wěn)定記憶的準粒子，進而支撐一種嶄新而強大的量子計算方法。

奇特的分數(shù)電荷

故事要從1879年開始講起。當時約翰霍普金斯大學的研究生埃德溫 · 霍爾（Edwin Hall）在一條扁平的金屬帶上通以電流并施加垂直磁場，磁場將電子流推到了金屬帶的一邊，由此產(chǎn)生的側(cè)向電流和相關的側(cè)向電阻后來以霍爾的名字命名。

一個世紀后，德國物理學家克勞斯·馮·克利欽（Klaus von Klitzing）利用一片超低溫的純砷化鎵研究霍爾效應。當克利欽加大磁場時，他預計霍爾電阻會穩(wěn)步增加。但霍爾電阻并沒有持續(xù)增長，而是先穩(wěn)定，然后突然上升，出現(xiàn)階梯形變化。更奇怪的是，穩(wěn)定平臺均出現(xiàn)在元電荷e（即電子電荷）平方的整數(shù)倍處。

為什么會出現(xiàn)這么奇怪的平臺現(xiàn)象？研究人員意識到，霍爾電阻無法平穩(wěn)變化，因為強磁場會將電子的能級——基本上可以認為是它們可能具有的速度——分離開來。這意味著稍微增大一點磁場不會產(chǎn)生任何效果，且電子仍然必須保持與之前相同的速度，即保持相同的電阻。只有大幅增加磁場才能使電子躍遷到下一個能級。

1982年，當貝爾實驗室的三位物理學家發(fā)現(xiàn)了一系列令人困惑的電阻平臺現(xiàn)象時，情況變得更加復雜。這次的平臺出現(xiàn)在電子電荷平方的分數(shù)值上?；羲固?· 施特默（Horst St?rmer）是這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者之一，他在獲得諾貝爾獎后的演講中描述了這些分數(shù)值的奇怪之處：“許多電子協(xié)同作用，可以產(chǎn)生電荷小于單個電子電荷的新粒子。這種情況本來不應該發(fā)生?！笔┨啬屯率褂昧讼嗤牟牧虾皖愃频膶嶒炑b置，并且也研究了相同的不可分割的電子。那么這些古怪的分數(shù)電荷是從哪里來的呢？

理論物理學家將其歸因于材料中每個電子與其他電子之間微妙的相互排斥作用。根據(jù)石溪大學凝聚態(tài)理論學家珍妮弗·卡諾（Jennifer Cano）的描述，這種相互作用是“缺失的部分”。相互作用的電子可以恰到好處地保持平衡并聚集磁感線，形成新的準粒子，即復合費米子。雖然單個電子占據(jù)整數(shù)n的能級，但復合費米子可以占據(jù)n/（2n+1）的能級，產(chǎn)生一系列分數(shù)電荷。另一種解釋是，分數(shù)量子霍爾效應就像整數(shù)量子霍爾效應，但其適用于攜帶分數(shù)電荷的準粒子。

電子舞蹈

在有強磁場的情況下，整數(shù)和分數(shù)量子霍爾效應都會出現(xiàn)。但是，物理學家迫切想知道的是，在這一現(xiàn)象中，磁場真的是必要的嗎？在20世紀80年代末，當時在加州大學圣地亞哥分校的理論物理學家鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane）預測，在沒有外部磁場的情況下，也有可能看到整數(shù)電荷的平臺現(xiàn)象，即所謂的量子反?；魻栃?。（在這里，“反?！敝皇侵浮霸跊]有外部磁場的情況下發(fā)生”。）霍爾丹想象了一種二維六角晶格的原子，電子在其中來回跳躍，彼此交換位置。由此產(chǎn)生的電子舞蹈就像一個內(nèi)部磁場，可以替代將電子能級分離的外部磁場。

2012年，中國清華大學的一組研究人員用鉍、銻和碲等元素混合制成了一種金屬薄膜，并加入少量鉻以提供有效的內(nèi)部磁場。清華團隊在沒有外部磁場的情況下，讓電流通過薄膜，使霍爾電阻中出現(xiàn)了特有的整數(shù)平臺。

大概在同一時間，三個獨立的小組設計了制造分數(shù)量子反常霍爾效應（即在電子電荷平方的分數(shù)處有一系列平臺現(xiàn)象）的方法。這種方法需要一種具有強大內(nèi)部磁場的假想材料。此外，它還需要支持微妙的多體相互作用，這種相互作用使電子在磁場中自成一體，并產(chǎn)生復合費米子——這是非常苛刻的要求。“我認為這種材料永遠不會出現(xiàn)。”普林斯頓大學凝聚態(tài)理論物理學家安德烈·貝爾涅維格（Andrei Bernevig）說。他也參與了其中一篇論文的工作。

他們沒有預料到一種全新的二維材料的誕生。

莫爾魔術(shù)

2004年，經(jīng)過幾十年的努力，物理學家使用一種新穎的剝離方法成功地分離出了石墨烯——一種由碳原子組成的六角形晶格。他們使用透明膠帶將石墨烯從石墨片上剝離了下來。像石墨烯這樣的二維材料很快顯示出作為研究電子行為的平臺的潛力。幾年之后，物理學家將室溫石墨烯置于強磁場下，并觀察到了整數(shù)量子霍爾效應。

“莫爾材料”的出現(xiàn)鞏固了二維材料作為研究平臺的地位。這個詞本意是指通過疊加兩層織物（如絲綢）而產(chǎn)生的波紋圖案。物理學家借用這個詞來描述當疊加的原子層以一定角度偏移或尺寸略微不匹配時產(chǎn)生的圖案。

與傳統(tǒng)的三維材料相比，二維的莫爾材料具有極強的可定制性。材料中的微小差異可以產(chǎn)生巨大的變化。例如，2017年，麻省理工學院的研究人員將兩片石墨烯精確地扭曲了1.1°。當冷卻到絕對零度以上幾度時，莫爾材料呈現(xiàn)出了最吸引人的量子態(tài)之一：超導性，電子可以完全無阻礙地在材料中運動。將扭曲角度調(diào)整半度之后，超導性就會消失。幾乎在一夜之間，許多研究小組改變了研究方向，開始嘗試制造莫爾材料。

“通過人工組裝的方式，這些晶體的外觀變成了非自然狀態(tài)的樣子?！比A盛頓大學的物理學家馬修·揚科維茨（Matthew Yankowitz）說。

包括康奈爾大學的物理學家單杰和麥健輝在內(nèi)的一些研究人員，使用被稱為二維過渡金屬硫族化合物（TMDs）的晶體進行研究。這種類似硅的半導體是研究電子行為的理想材料。當單杰和麥健輝用TMDs制作莫爾材料時，出現(xiàn)了有趣的現(xiàn)象：一種TMD莫爾材料表現(xiàn)出了量子反?；魻栃?。但對應的分數(shù)的效應依然難以得到。

分數(shù)和異常

一年前，由徐曉東領導的華盛頓大學的科研團隊設法在由堆疊和扭曲的二碲化鉬層制成的TMD莫爾材料中觀察到了分數(shù)量子反常霍爾效應。這是首次在沒有外部磁場的情況下觀察到的分數(shù)量子效應。徐曉東的團隊在《自然》雜志上發(fā)表文章的幾周之后，上海交通大學的一個研究小組在《物理評論X》（Physical Review X）上發(fā)表了同樣的結(jié)果。

麻省理工學院專門研究二維材料的物理學家巨龍也在研究這一現(xiàn)象。巨龍在氮化硼之間粘下了五層精心排列的石墨烯，將其冷卻，并測量了電阻。

在沒有任何磁場的情況下，分數(shù)平臺的特征再次出現(xiàn)?！斑@實在是出乎意料?！本摭堈f。

雖然一些研究表明，TMDs可以表現(xiàn)出這種效應（在適當?shù)呐で嵌认?，這些材料可能產(chǎn)生強大的有效內(nèi)部磁場），但沒有任何理論物理學家預測到這種效應會在巨龍的材料中顯現(xiàn)出來。這一發(fā)現(xiàn)令人十分困惑。

石溪大學的卡諾在研究生階段致力于研究分數(shù)量子霍爾效應，該效應現(xiàn)已得到了基本的解釋。她說：“我認為這已經(jīng)成了過去，當扭曲的TMD和石墨烯推動了這一領域的發(fā)展時，我感到非常興奮?！笨ㄖZ和其他物理學家正在考慮如何對材料進行建模，但這并不容易?！八鼈儠澢?、波動、變形、扭曲，因此實際上很難建立一個正確的定量模型。”她說。

理解分數(shù)量子反?；魻栃睦щy是雙重的。物理學家必須首先解釋實驗樣本中實際發(fā)生的情況。然后他們還必須考慮一點：電子原則上能做什么？

人們對莫爾材料的確切作用知之甚少。一些物理學家最初懷疑莫爾材料是否真的有用處。也許真正有用的只是石墨烯。巨龍的團隊尚未發(fā)表的研究結(jié)果表明，如果沒有不匹配的六角形氮化硼和石墨烯晶格，就沒有分數(shù)電荷?！昂苊黠@，莫爾材料很重要?！必悹柲S格說。

存在一種可能性，層狀石墨烯可以成為所謂的反?；魻柧w。與由原子晶格制成的物理晶體（+TCbYEQqpE7HR8vJqbRXRcXZe7w527NFkFAHgeStTRs=如鉆石）不同，反?；魻柧w只會短暫存在，其晶格由排列成蜂窩狀的電子組成。正如卡諾所說，這種晶體中的電子是穩(wěn)定的，但“仍然能夠相互作用”，因此它們的集體相互作用可以產(chǎn)生具有分數(shù)電荷的復合費米子。

巨龍目前正在制作更多的樣品，并嘗試在較低的溫度下進行測量。因為系統(tǒng)中的內(nèi)能較少，這可能會讓他發(fā)現(xiàn)異常的霍爾晶體。他說，“這項工作目前正在進行當中，現(xiàn)在得出結(jié)論還為時過早”。

雖然這些系統(tǒng)中出現(xiàn)的具有分數(shù)電荷的大多數(shù)準粒子都可以歸因于復合費米子，但某些分子，如5/2和7/2狀態(tài)，可能涉及非阿貝爾任意子的奇異準粒子。將其中的兩個纏繞在一起，它們的狀態(tài)就會改變，并將纏繞過程加以記錄。如果這些任意子可以被隔離并“編織”，形成一種控制纏繞路徑的操作，它們就可以形成量子計算所需的理想量子比特，因為其中編碼的信息是穩(wěn)定存在的。

非阿貝爾任意子在量子計算方面的潛力推動了學術(shù)界和工業(yè)界數(shù)十年的研究。雖然有跡象存在——其中也有部分說法之后被撤回——但沒有人確切地看到過這種罕見的準粒子，更不用說將其用于計算了。加州大學圣巴巴拉分校的實驗物理學家安德烈·楊（Andrea Young）將希望寄托在莫爾材料上，這可能是迄今為止發(fā)現(xiàn)物理學家的量子獵物的最佳機會。即使在二維空間，找到非阿貝爾任意子也并不容易?！斑@些系統(tǒng)中有很多東西，就像是一個動物園?！睏钫f。

資料來源 Quanta Magazine

本文作者丹尼爾·加里斯托（Daniel Garisto）是一名科學作者，主要撰寫物理學方向文章