令人困惑的奇特的電子聚集體出現

在人類發現電子以來的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，它的性質眾所周知，并且被確定無疑地寫在了教科書中：電子質量極小，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。比如，在強磁場下，電子會失去其個體性質，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，目前也已經被很好地研究和歸納總結。

然而，2023年科學家在對電子的研究中發現了一種新的效應，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，并帶有分數電荷。幾個月后，麻省理工學院的科研團隊在另一種材料中發現了同樣的效應。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現感到困惑。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。幾個團隊的計算結果既沒有完全解釋分數電荷狀態的產生原因，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相。

這一新發現并非偶然，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，是電子量子性的結果，盡管其直接原因尚未明確。雖然凝聚態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現那些足以改變世界的技術的基礎原理。這次的全新發現可能有助于尋找具有穩定記憶的準粒子，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，由此產生的側向電流和相關的側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步增加。但霍爾電阻并沒有持續增長，而是先穩定，然后突然上升，出現階梯形變化。更奇怪的是，穩定平臺均出現在元電荷e（即電子電荷）平方的整數倍處。

為什么會出現這么奇怪的平臺現象？研究人員意識到，霍爾電阻無法平穩變化，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現了一系列令人困惑的電阻平臺現象時，情況變得更加復雜。這次的平臺出現在電子電荷平方的分數值上。霍斯特 · 施特默（Horst St?rmer）是這些現象的發現者之一，他在獲得諾貝爾獎后的演講中描述了這些分數值的奇怪之處：“許多電子協同作用，可以產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生。”施特默和同事使用了相同的材料和類似的實驗裝置，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。根據石溪大學凝聚態理論學家珍妮弗·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。雖然單個電子占據整數n的能級，但復合費米子可以占據n/（2n+1）的能級，產生一系列分數電荷。另一種解釋是，分數量子霍爾效應就像整數量子霍爾效應，但其適用于攜帶分數電荷的準粒子。

電子舞蹈

在有強磁場的情況下，整數和分數量子霍爾效應都會出現。但是，物理學家迫切想知道的是，在這一現象中，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，也有可能看到整數電荷的平臺現象，即所謂的量子反常霍爾效應。（在這里，“反常”只是指“在沒有外部磁場的情況下發生”。）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。由此產生的電子舞蹈就像一個內部磁場，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，使霍爾電阻中出現了特有的整數平臺。

大概在同一時間，三個獨立的小組設計了制造分數量子反常霍爾效應（即在電子電荷平方的分數處有一系列平臺現象）的方法。這種方法需要一種具有強大內部磁場的假想材料。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。”普林斯頓大學凝聚態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

2004年，經過幾十年的努力，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，并觀察到了整數量子霍爾效應。

“莫爾材料”的出現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生的圖案。

與傳統的三維材料相比，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，莫爾材料呈現出了最吸引人的量子態之一：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的樣子。”華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，出現了有趣的現象：一種TMD莫爾材料表現出了量子反常霍爾效應。但對應的分數的效應依然難以得到。

分數和異常

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量子效應。徐曉東的團隊在《自然》雜志上發表文章的幾周之后，上海交通大學的一個研究小組在《物理評論X》（Physical Review X）上發表了同樣的結果。

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，分數平臺的特征再次出現。“這實在是出乎意料。”巨龍說。

雖然一些研究表明，TMDs可以表現出這種效應（在適當的扭曲角度下，這些材料可能產生強大的有效內部磁場），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出來。這一發現令人十分困惑。

石溪大學的卡諾在研究生階段致力于研究分數量子霍爾效應，該效應現已得到了基本的解釋。她說：“我認為這已經成了過去，當扭曲的TMD和石墨烯推動了這一領域的發展時，我感到非常興奮。”卡諾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。“它們會彎曲、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。

理解分數量子反常霍爾效應的困難是雙重的。物理學家必須首先解釋實驗樣本中實際發生的情況。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。巨龍的團隊尚未發表的研究結果表明，如果沒有不匹配的六角形氮化硼和石墨烯晶格，就沒有分數電荷。“很明顯，莫爾材料很重要。”貝爾涅維格說。

存在一種可能性，層狀石墨烯可以成為所謂的反常霍爾晶體。與由原子晶格制成的物理晶體（+TCbYEQqpE7HR8vJqbRXRcXZe7w527NFkFAHgeStTRs=如鉆石）不同，反常霍爾晶體只會短暫存在，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生具有分數電荷的復合費米子。

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。因為系統中的內能較少，這可能會讓他發現異常的霍爾晶體。他說，“這項工作目前正在進行當中，現在得出結論還為時過早”。

雖然這些系統中出現的具有分數電荷的大多數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，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界和工業界數十年的研究。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現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。“這些系統中有很多東西，就像是一個動物園。”楊說。

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