弱磁场下扭曲双层石墨烯奇异分数态首现

有助未来量子设备研发应用

科技日报北京12月19日电 （实习记者张佳欣）美国哈佛大学与麻省理工学院的研究人员合作，首次在弱磁场下观察到扭曲的双层石墨烯的奇异分数态。这项研究发表在15日的《自然》杂志上，为未来的量子设备和应用铺平了道路。

奇异的量子粒子和现象只有最极端的条件才会出现。换句话说，必须具备极低的温度或极高的磁场。人们已经对室温超导做了很多研究，但在弱磁场至零磁场下产生奇异的分数电荷粒子，对未来量子材料和应用同样重要，包括新型量子计算。

这项研究的资深作者、哈佛大学工程与应用科学学院物理学和应用物理学教授阿米尔·亚科比说：“凝聚态物理领域的目标之一是获得磁场低到零的奇异粒子。有理论预测说，我们应该能看到这些弱至零磁场的奇异粒子，但此前还没有人能观察到它。”

研究人员从一种被称为“分数陈绝缘体”的特殊量子状态着手。陈绝缘体是拓扑绝缘体，这意味着它们在表面或边缘导电，但在中间不导电。在分数陈绝缘体中，电子相互作用形成所谓的准粒子，这是一种从大量其他粒子之间复杂的相互作用中产生的粒子。和基本粒子一样，准粒子也有明确的性质，比如质量和电荷。

在分数陈绝缘体中，材料内部的电子相互作用非常强，准粒子被迫携带正常电子电荷的一小部分。这些分数粒子具有奇特的量子特性，可用于创建强大的量子比特，对外界干扰具有极强的弹性。

为了建造绝缘体，研究人员使用了两片石墨烯，它们以所谓的“魔角”扭曲在一起。扭曲揭示了石墨烯新的、不同的性质，包括超导性，以及被称为“陈能带”的状态，这些状态具有产生分数量子态的巨大潜力。

研究人员称，这些陈能带就像装满电子的水桶。为了产生分数态，研究人员需要在“水桶”中的一小部分装满电子。但只有当“桶”中的所有电子必须具有几乎相同的性质时，电子的贝里曲率变得均匀，才能出现分数的陈绝缘态。为此，研究人员添加了一个非常小的磁场，使电子之间均匀分布贝里曲率，从而能在扭曲的双层石墨烯中观察到分数的陈绝缘体。

研究人员表示，在魔角扭曲的双层石墨烯中发现了低磁场分数的陈绝缘体，开启了拓扑量子物质领域的新篇章。它提供了将这些奇异状态与超导电性耦合起来的现实前景，可能会创造和控制更奇异的拓扑准粒子，也就是所谓的“任意子”。