科学家在五层石墨烯观测到著名的量子效应

分数电荷  

电子是电的基本单位，一个电子携带一个负电荷——这是我们从中学开始就知晓的“常识”，在自然界的大多数材料中，事实也的确如此。但是，在特殊的物态下，电子携带的电荷可以是比单位电荷小的分数，这就好像电子以某种方式分裂成了更小的粒子，每个粒子都携带电子的一部分电荷。

过去，物理学家已经通过实验多次观测到过所谓的“分数量子霍尔效应”。不过其中大多都是在非常强大的、精心维持的磁场下观测到的。不需要施加额外磁场的分数量子霍尔效应被称为“分数量子反常霍尔效应”。

在一项新发表于《自然》杂志的研究中，由麻省理工学院的巨龙（Long Ju）教授领导的物理学家团队，在一种意想不到的材料——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  

分数量子霍尔效应是一种奇怪的量子现象。当粒子从单个粒子的行为，转变为作为一个整体的集体行为时，就会出现这种现象。

这种集体的“相关”行为出现在特殊的状态下，例如，当电子从通常的高速运动转变成缓慢运动时，它们可以“感知”彼此，并发生相互作用。这些相互作用可以产生罕见的电子态，比如电子电荷的分裂。

“分数电荷”是种极为罕见的现象，如果能成功捕获和控制这种奇异的电子态，就有可能创造出有恢复力的、能容错的量子计算机。而“无磁场”的分数量子反常霍尔效应为拓扑量子计算开辟了新的前景，其中的拓扑部分可以在执行计算时为量子比特提供额外的保护。

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：当时，科学家通过施加强度大约是核磁共振成像仪的10倍的磁场，来减缓材料中的电子的速度，使它们能够相互作用。他们观察到，材料中的电子表现出了奇异的特性——电子聚集在一起形成电荷仅为一个单位电荷的分数的准粒子。

这一结果令所有人都感到惊讶，因为当时甚至没有相关的理论预测。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此荣获了诺贝尔物理学奖。

石墨烯中的惊人发现  

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扭曲半导体中，首次观测到了这种无需高磁场操纵的分数量子反常霍尔效应。

同月，巨龙和他的团队也观测到了反常分数电荷的迹象，但他们是在石墨烯中观测的。石墨烯是一种具有许多特殊特性的材料。巨龙的团队所研究的是一种由五层石墨烯层堆叠构成的结构，每一层都稍微彼此偏离，就像楼梯上的台阶一样。

这种五层石墨烯结构是嵌在石墨中的，可以通过透明胶带剥离得到。在超低温环境下，这种结构中的电子会变得非常缓慢，并以在高温下通常不会出现的方式相互作用。

分数量子霍尔效应通常在非常强的磁场下才会出现。在新的研究中，物理学家在简单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）发生强烈的相互作用，表现出它们好像被分裂成分数电荷。（图/Sampson Wilcox, RLE via MIT News）

在新的研究工作中，巨龙的团队先是进行了一些计算，发现如果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可能会更强烈。六方氮化硼是一种与石墨烯有着相似的原子结构、但尺寸略有不同的材料。当二者结合，应该能产生一个莫尔超晶格，这是一种复杂的、类似脚手架的原子结构，能够以模拟磁场的方式，减慢电子的速度。

在完成计算后，研究人员开始着手通过实验来研究这种奇异的电子行为。

首先，他们从一块石墨上剥离石墨烯层，然后使用光学工具识别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。最后，他们将电极连接到这个结构上，并将其置于接近绝对零度的环境中。

当他们对这一材料施加电流，并测量输出电压时，发现分数电荷的特征开始显现——它们测得的电压等于电流乘以一个分数和一些基本物理常数。这让研究人员大为震惊。通过进一步分析，研究人员证实了石墨烯结构确实表现出分数量子反常霍尔效应。

新的前景

这一结果令所有研究人员感到惊喜，这是首次在晶体石墨烯中观测到“分数量子反常霍尔效应”，在此之前，物理学家甚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术的发展带来新的希望，并有助于物理学家探索许多基本的物理概念和应用。