科技日報北京12月19日電 （實(shí)習記者張佳欣）美國哈佛大學(xué)與麻省理工學(xué)院的研究人員合作，首次在弱磁場(chǎng)下觀(guān)察到扭曲的雙層石墨烯的奇異分數態(tài)。這項研究發(fā)表在15日的《自然》雜志上，為未來(lái)的量子設備和應用鋪平了道路。
奇異的量子粒子和現象只有最極端的條件才會(huì )出現。換句話(huà)說(shuō)，必須具備極低的溫度或極高的磁場(chǎng)。人們已經(jīng)對室溫超導做了很多研究，但在弱磁場(chǎng)至零磁場(chǎng)下產(chǎn)生奇異的分數電荷粒子，對未來(lái)量子材料和應用同樣重要，包括新型量子計算。
這項研究的資深作者、哈佛大學(xué)工程與應用科學(xué)學(xué)院物理學(xué)和應用物理學(xué)教授阿米爾·亞科比說(shuō)：“凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的目標之一是獲得磁場(chǎng)低到零的奇異粒子。有理論預測說(shuō)，我們應該能看到這些弱至零磁場(chǎng)的奇異粒子，但此前還沒(méi)有人能觀(guān)察到它。”
研究人員從一種被稱(chēng)為“分數陳絕緣體”的特殊量子狀態(tài)著(zhù)手。陳絕緣體是拓撲絕緣體，這意味著(zhù)它們在表面或邊緣導電，但在中間不導電。在分數陳絕緣體中，電子相互作用形成所謂的準粒子，這是一種從大量其他粒子之間復雜的相互作用中產(chǎn)生的粒子。和基本粒子一樣，準粒子也有明確的性質(zhì)，比如質(zhì)量和電荷。
在分數陳絕緣體中，材料內部的電子相互作用非常強，準粒子被迫攜帶正常電子電荷的一小部分。這些分數粒子具有奇特的量子特性，可用于創(chuàng )建強大的量子比特，對外界干擾具有極強的彈性。
為了建造絕緣體，研究人員使用了兩片石墨烯，它們以所謂的“魔角”扭曲在一起。扭曲揭示了石墨烯新的、不同的性質(zhì)，包括超導性，以及被稱(chēng)為“陳能帶”的狀態(tài)，這些狀態(tài)具有產(chǎn)生分數量子態(tài)的巨大潛力。
研究人員稱(chēng)，這些陳能帶就像裝滿(mǎn)電子的水桶。為了產(chǎn)生分數態(tài)，研究人員需要在“水桶”中的一小部分裝滿(mǎn)電子。但只有當“桶”中的所有電子必須具有幾乎相同的性質(zhì)時(shí)，電子的貝里曲率變得均勻，才能出現分數的陳絕緣態(tài)。為此，研究人員添加了一個(gè)非常小的磁場(chǎng)，使電子之間均勻分布貝里曲率，從而能在扭曲的雙層石墨烯中觀(guān)察到分數的陳絕緣體。
研究人員表示，在魔角扭曲的雙層石墨烯中發(fā)現了低磁場(chǎng)分數的陳絕緣體，開(kāi)啟了拓撲量子物質(zhì)領(lǐng)域的新篇章。它提供了將這些奇異狀態(tài)與超導電性耦合起來(lái)的現實(shí)前景，可能會(huì )創(chuàng )造和控制更奇異的拓撲準粒子，也就是所謂的“任意子”。
總編輯圈點(diǎn)
諾貝爾物理學(xué)獎得主安德烈·海姆曾提出，幾千年的人類(lèi)歷史，從瓷器時(shí)代、青銅時(shí)代、鐵器時(shí)代到如今硅與塑料的時(shí)代，每個(gè)時(shí)代都有其代表性材料，而下一種代表性材料是二維材料。確實(shí)，二維材料正在悄悄登上時(shí)代舞臺并大放異彩，其中的“頂流”就包括石墨烯。我們難以預測未來(lái)二維材料還會(huì )帶來(lái)哪些像“魔角扭曲的雙層石墨烯”產(chǎn)生的物理奇觀(guān)，但可以想到的是，在科技革命的浪潮中注定會(huì )有它們的身影。
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