物理學家發現新型量子粒子！表現介於玻色子費米子之間 | Nature_風聞

一水 發自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

新型量子粒子出現了，相關論文已經登上Nature。

事情是這樣的，美國布朗大學物理學家發現了一類既不屬於玻色子，也不屬於費米子的新粒子，這種粒子的表現介於兩種基本粒子之間，被稱為**“分數激子”**。

研究人員表示，這種新粒子不攜帶整數電荷，卻遵循獨特的量子統計規律。

換句話説，這種新粒子的電荷不是常見的整數形式（如電子帶一個單位的負電荷），同時其量子行為不遵循傳統的玻色子或費米子統計規律。

根據布朗大學物理學副教授Jia Li的説法，這挑戰了傳統的量子分類，可能徹底改變量子計算。

這一突破性發現可能為解鎖一系列物質的新量子相開闢道路，並通過提供獨特的操控量子狀態的方法來增強量子計算。

網友們也紛紛表示，一旦量子層面的信息存儲和處理方式取得突破，基本上就像拿到了未來科技的萬能鑰匙。

新型量子粒子被發現

一般來説，量子世界中的次原子粒子，即比原子還小的粒子（如電子、中子、夸克等）常常違反經典物理世界熟悉的規則，比如它們可以同時存於兩個地方，穿過堅固障礙，甚至遠程即時通信。

這些看似不可能的行為，一直以來都是量子物理學的核心。

科學家們探索至今，自然界中所有的基本粒子都可以被分成兩類——玻色子和費米子，具體取決於它們如何“自旋”（類似地球自轉）。

簡單説，自旋為整數（0、1、2等）的粒子被稱作“玻色子”，當中最著名的要數希格斯玻色子（自旋為0，2013年獲諾貝爾物理學獎認可）；而自旋為半整數（（1/2、1^1/2、2^1/2）的粒子被稱作“費米子”，包括質子、中子、電子、中微子和夸克等。

之所以要做上述劃分，是因為玻色子和費米子在量子統計規律、對物質性質和相互作用的影響，以及理論研究和模型構建等方面存在本質差異，這一舉措有助於深入理解微觀物理世界。

其中，它們最重要的特點在於：

玻色子能共享相同量子態，而費米子則遵循泡利不相容原理，即兩個費米子不能佔據同一量子狀態。

然而，布朗大學物理學家這次發現的“分數激子”（fractional exciton）卻無法歸入上述兩類。

具體而言，它們雖具有預期的分數電荷，但行為卻同時表現出玻色子和費米子的特徵，類似兩者的混合體。

換句話説，它有點像介於兩者之間的粒子類型——任意子（Anyon，任意子既不會完全避開對方，也不會完全聚集起來），但又具有獨特屬性。

再簡單點，“分數激子”可能代表了一類全新的、具有獨特量子屬性的粒子。

可存在於分數量子霍爾體系中

據研究人員介紹，已有實驗表明“激子”可以存在於分數量子霍爾體系（FQHE）中，並且其中一些激子是由帶分數電荷的粒子配對產生的，形成了表現不像玻色子的“分數激子”。

我們一步步來説。

首先，分數量子霍爾效應是基於經典霍爾效應的一種現象，後者指將磁場施加到有電流的材料上以產生橫向電壓。

而量子霍爾效應是霍爾效應的量子力學版本，需要在低温強磁場的極端條件下才能被觀察到。在這種條件下，霍爾電阻與磁場不再呈現線性關係，而是出現量子化平台。

也就是説，前面提到的橫向電壓出現了台階式的變化。

例如，當磁場強度逐漸增加時，橫向電壓可能會在某個磁場值突然從一個特定值跳到另一個特定值，然後保持不變，直到磁場強度達到下一個特定值時，再發生下一次跳躍。

這種跳躍式的變化是量子霍爾效應的一個重要特徵。它反映了系統的量子化性質，即系統的能量、電荷等物理量是量子化的，只能取一些離散的值，而不是連續的值。

**△**圖源知乎@ andrew shen

而在分數量子霍爾效應中，這種增加方式變得更為奇特，僅為電子電荷的一小部分（出現了帶分數電荷的激發態）。

實驗中，研究人員構建了由兩層二維納米材料石墨烯組成的結構，中間隔有六方氮化硼絕緣晶體。

這種設置使他們能夠精確控制電荷運動，還能生成被稱為激子的粒子，這些粒子由一個電子和空穴結合而成。

然後，在比地球磁場強數百萬倍的極強磁場中，研究人員觀察到了新型分數激子，這些激子表現出異常行為。

具體來説，研究人員發現了兩類全新的分數量子霍爾效應狀態，且它們都表現出了完美的拖曳響應，他們表示這無疑是激子配對存在的有力證據。

第一類與一種特定的結構相關。

從只在第二層有電荷載流子的Jain序列的分數量子霍爾態出發（彼此無層間相關性，拖曳響應和逆流電導都為零），通過調整一個關鍵參數，使其變為非零值時，研究人員意外誘導出了激子配對。

即沿着一條特定的線，一系列的分數量子霍爾態紛紛出現。

在平行流幾何結構中，這些狀態表現得非常特別，體電導消失不見；而在拖曳幾何結構中，拖曳比達到了完美的1，同時在逆流幾何結構中還具有高導電性。

以上説明分數量子霍爾能隙與層間激子電荷中性模式能在同一系統中兼容。

進一步研究發現，當這種特定結構的總有效填充達到整數時，這類分數量子霍爾效應狀態就會隨之產生。

這意味着，在這個區域內的分數量子霍爾效應也存在着類似層間相關性。

研究人員推測，所形成的激子可能遵循玻色統計規律，其低温基態或許可以用玻色-愛因斯坦凝聚來描述。

而第二類與另一種特定序列相關，這裏的激子具有非玻色性質。

按照相關理論研究，在某些特定的點上，會出現這種序列的不可壓縮狀態。

研究人員通過傳輸測量，確實成功地觀察到了這些預期的分數量子霍爾態。而且還發現，當某個關鍵參數取特定值時，會出現一系列平行流電導消失的分數量子霍爾態。

同時，通過對電荷隙的熱激活行為進行深入分析，研究人員發現了其具有特徵性的層次行為，這為這種特定結構在形成電荷隙中的關鍵作用提供了有力證據。

值得一提的是，在這些狀態中，拖曳響應也是完美的。

以一種特定的狀態為例，在這種狀態下會形成一種特殊的激子，其粒子和空穴電荷具有特殊的性質，並且這種激子遵循費米統計規律，與常見的玻色子完全不同。

當改變一些關鍵條件時，激子的組成和性質也會發生變化，有的激子會遵循玻色統計規律，有的則會表現出任意子行為。

總之，研究表明激子可以存在於分數量子霍爾體系中，並且其中一些激子是由帶分數電荷的粒子配對產生的。

最後研究指出，這類新型粒子未來或有助於改進量子層面的信息存儲和處理方式，帶來更快、更可靠的量子計算機。

更多細節歡迎查閲原論文。

論文：https://arxiv.org/abs/2407.18224

參考鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08274-3