科學(xué)家在五層石墨烯觀測到著名的量子效應(yīng)
分?jǐn)?shù)電荷
電子是電的基本單位，一個電子攜帶一個負電荷——這是 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 從中學(xué)開始就知曉的“常識”，在自然界的大多數(shù)材料中，事實也的確如此。但是，在特殊的物態(tài)下，電子攜帶的電荷可以是比單位電荷小的分?jǐn)?shù)，這就好像電子以某種方式分裂成了更小的粒子，每個粒子都攜帶電子的一部分電荷。
過去，物理學(xué)家已經(jīng)順利獲得實驗多次觀測到過所謂的“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”。不過其中大多都是在非常強大的、精心維持的磁場下觀測到的。不需要施加額外磁場的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)被稱為“分?jǐn)?shù)量子反?；魻栃?yīng)”。
在一項新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，由麻省理工學(xué)院的巨龍（Long Ju）教授領(lǐng)導(dǎo)的物理學(xué)家團隊，在一種意想不到的材料——五層石墨烯中，觀測到了這個難以捉摸的效應(yīng)。
分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)
分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)是一種奇怪的量子現(xiàn)象。當(dāng)粒子從單個粒子的行為，轉(zhuǎn)變?yōu)樽鳛橐粋€整體的集體行為時，就會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。
這種集體的“相關(guān)”行為出現(xiàn)在特殊的狀態(tài)下，例如，當(dāng)電子從通常的高速運動轉(zhuǎn)變成緩慢運動時，它們可以“感知”彼此，并發(fā)生相互作用。這些相互作用可以產(chǎn)生罕見的電子態(tài)，比如電子電荷的分裂。
“分?jǐn)?shù)電荷”是種極為罕見的現(xiàn)象，如果能成功捕獲和控制這種奇異的電子態(tài)，就有可能創(chuàng)造出有恢復(fù)力的、能容錯的量子計算機。而“無磁場”的分?jǐn)?shù)量子反?；魻栃?yīng)為拓撲量子計算開辟了新的前景，其中的拓撲部分可以在執(zhí)行計算時為量子比特給予額外的保護。
1982年，科學(xué)家在砷化鎵的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)：當(dāng)時，科學(xué)家順利獲得施加強度大約是核磁共振成像儀的10倍的磁場，來減緩材料中的電子的速度，使它們能夠相互作用。他們觀察到，材料中的電子表現(xiàn)出了奇異的特性——電子聚集在一起形成電荷僅為一個單位電荷的分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)粒子。
這一結(jié)果令所有人都感到驚訝，因為當(dāng)時甚至沒有相關(guān)的理論預(yù)測。1998年，三位對分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)做出巨大貢獻的物理學(xué)家也因此榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎。
石墨烯中的驚人發(fā)現(xiàn)
2023年8月，華盛頓大學(xué)的一組科學(xué)家，在一種名為二碲化鉬的扭曲半導(dǎo)體中，首次觀測到了這種無需高磁場操縱的分?jǐn)?shù)量子反?；魻栃?yīng)。
同月，巨龍和他的團隊也觀測到了反常分?jǐn)?shù)電荷的跡象，但他們是在石墨烯中觀測的。石墨烯是一種具有許多特殊特性的材料。巨龍的團隊所研究的是一種由五層石墨烯層堆疊構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，每一層都稍微彼此偏離，就像樓梯上的臺階一樣。
這種五層石墨烯結(jié)構(gòu)是嵌在石墨中的，可以順利獲得透明膠帶剝離得到。在超低溫環(huán)境下，這種結(jié)構(gòu)中的電子會變得非常緩慢，并以在高溫下通常不會出現(xiàn)的方式相互作用。
分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)通常在非常強的磁場下才會出現(xiàn)。在新的研究中，物理學(xué)家在簡單的石墨烯中觀測到了這種現(xiàn)象。在一個由五層石墨烯和六方氮化硼（hBN）構(gòu)成的莫爾超晶格中，電子（藍球）發(fā)生強烈的相互作用，表現(xiàn)出它們好像被分裂成分?jǐn)?shù)電荷。（圖/Sampson Wilcox, RLE via MIT News）
在新的研究工作中，巨龍的團隊先是進行了一些計算，發(fā)現(xiàn)如果將這種五層石墨烯結(jié)構(gòu)與六方氮化硼（hBN）對齊，電子之間的相互作用就可能會更強烈。六方氮化硼是一種與石墨烯有著相似的原子結(jié)構(gòu)、但尺寸略有不同的材料。當(dāng)二者結(jié)合，應(yīng)該能產(chǎn)生一個莫爾超晶格，這是一種復(fù)雜的、類似腳手架的原子結(jié)構(gòu)，能夠以模擬磁場的方式，減慢電子的速度。
在完成計算后，研究人員開始著手順利獲得實驗來研究這種奇異的電子行為。
第一時間，他們從一塊石墨上剝離石墨烯層，然后使用光學(xué)工具識別階梯狀結(jié)構(gòu)中的五層薄片。接著，他們將石墨烯薄片壓印在六方氮化硼薄片上，并在石墨烯上再放置一個六方氮化硼薄片。最后，他們將電極連接到這個結(jié)構(gòu)上，并將其置于接近絕對零度的環(huán)境中。
當(dāng)他們對這一材料施加電流，并測量輸出電壓時，發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)電荷的特征開始顯現(xiàn)——它們測得的電壓等于電流乘以一個分?jǐn)?shù)和一些基本物理常數(shù)。這讓研究人員大為震驚。順利獲得進一步分析，研究人員證實了石墨烯結(jié)構(gòu)確實表現(xiàn)出分?jǐn)?shù)量子反?；魻栃?yīng)。
新的前景
這一結(jié)果令所有研究人員感到驚喜，這是首次在晶體石墨烯中觀測到“分?jǐn)?shù)量子反?；魻栃?yīng)”，在此之前，物理學(xué)家甚至沒有預(yù)料到它能表現(xiàn)出這種效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)將為一些量子技術(shù)的開展帶來新的希望，并有助于物理學(xué)家探索許多基本的物理概念和應(yīng)用。
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