研究人员在双层石墨烯中观察到奇怪的量子粒子

通过哥伦比亚大学物理学助理教授皮彻迪恩(Pitcher Dean)和詹姆斯霍恩(James Horn)领导的研究团队，哥伦比亚大学机械工程系教授王李在研究物理学的偶数分母分数量子霍尔(FQH)双层石墨烯(graphene)中的状态——透射测量时，清晰地观察到了一种强凝聚态异常。这项研究今天在线发表在《科学》杂志(10月6日)上。

“在任何系统中观察5/2态都是一个非同寻常的科学机遇，因为它包含了现代凝聚态物理中一些最令人困惑的概念，如外观、准粒子形成、量子化，甚至超导性，”迪恩说。“我们的观察结果表明，在双层石墨烯中，5/2态可以存活到比以前认为的更高的温度，这不仅使我们能够以一种新的方式研究这一现象，而且将我们对FQH状态的看法在很大程度上转变为科学好奇心。现在它有很大的实际应用潜力，尤其是在量子计算领域。”

在20世纪80年代首次发现的砷化镓(GaAs)异质结构中，5/2分数量子霍尔态仍然是其他严格规则的唯一例外，即分数量子霍尔态只能存在于奇数分母中。发现后不久，理论工作表明，这种状态可能代表一种奇特的超导体，部分原因是这样的阶段可能为量子计算提供一种全新的方法。然而，这些理论的证实仍然难以捉摸，主要是由于国家的脆弱性；在GaAs，只有在最高质量的样品中才能观察到，甚至只有在毫开尔文温度下(比水的冰点低10000倍)。

哥伦比亚的研究小组现在已经在双层石墨烯中观察到了同样的状态，而且它出现在更高的温度下——高达几开尔文。“虽然它仍然比水的冰点冷100倍，但在这些温度下看到均匀的分母状态，为之前无法想象的一整套实验工具打开了大门，”迪恩说。“经过全世界研究人员几十年的努力，我们终于可以接近解开5/2之谜了。”

现代凝聚态物理领域的一个突出问题是理解“涌现”现象，这种现象是大量量子粒子由于粒子之间的相互作用而产生的，并不新的特征。各部分的特点。比如在超导体中，大量的电子全部坍缩成单一的量子态，然后它们可以在金属中传播而没有任何能量损失。分数霍尔效应是另一种状态，在磁场存在的情况下，电子相互串联，导致准粒子具有潜在的奇怪量子属性。

理论上很难预测，表象往往挑战我们对粒子行为的基本认识。比如，由于任意两个电子都带相同的电荷，我们就把电子看成是想要相互排斥的物体。然而，在超导金属中，电子偶然配对形成一个新的物体，称为铜对。当在金属中移动时，每个电子都会散射，从而产生电阻，但自发形成的铜对集体显示，它们穿过材料时没有电阻。

“想象一下在摇滚音乐会上穿过人群，每个人都在精力充沛地跳舞，并不断与你相遇。与舞厅舞池相比，成对的舞者都在同一个地方，以一种精心的方式，很容易避免彼此，”迪恩说。“偶数分数量子霍尔效应如此迷人的原因之一是它的起源被认为与超导体非常相似。然而，不是简单地形成铜对，而是出现了一种全新的量子粒子。”。

根据量子力学，基本粒子分为两类，费米子和玻色子，它们的行为完全不同。两个费米子，例如，电子，不能占据相同的状态，这就是为什么，例如，一个原子中的电子填充一个连续的轨道。玻色子，如光子或光粒子，可以占据相同的状态，使它们像激光的光发射一样相干地行动。当两个相同的粒子交换时，描述它们结合态的量子力学波函数乘以玻色子的相位因子是1，而费米子的相位因子是-1。

分数量子霍尔效应发现后不久，从理论上可以看出，与该态相关的准粒子既不是玻色子，也不是费米子，而是所谓的“任意”:任意准粒子互换时，相位因子既不是1也不是-1，而是一个分数。尽管几十年的努力，仍然没有确凿的实验证据证明这些准粒子是任意的。5/2态——一个非阿贝尔任意态——被认为更奇特。理论上，任何非阿贝尔任意态都服从任何其他分数量子霍尔态的任何统计量，但它有一个特点，就是这个阶段不能简单地通过反转过程来解除。这个不能简单扩展阶段将使存储在系统中的任何信息都是唯一的和稳定的，

“预测的5/2统计数据的呈现将代表一个伟大的成就，”迪安说。“在许多方面，这将证实，通过制造一个具有适当厚度和适当电子数量的材料系统，然后施加适当的磁场，我们可以有效地设计出一类基本上新的粒子，它们具有以下特征：它们不存在于宇宙中自然存在的已知粒子中。我们仍然没有确凿的证据来证明5/2态显示出非阿贝尔特性，但双层石墨烯中这种态的发现为测试这些理论开辟了令人兴奋的新机会。”

到目前为止，所有这些条件不仅需要恰到好处，还需要极端。在传统半导体中，连分母态都很难隔离，只存在于超纯材料、极低温度和高磁场中。虽然可以观察到国家的一些特征，可以设计实验在不破坏国家的情况下调查国家，但挑战总是存在的。

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;我们需要一个新的平台，”Hone说。“随着石墨烯的成功分离，这些原子级薄的碳原子层成为一般用于研究二维电子的有前景的平台。其中一个关键是石墨烯中的电子比传统的2D电子系统更强烈地相互作用，理论上使得均匀分母状态等效应更加稳健。但是，虽然有人预测双层石墨烯可以容纳长期寻求的均衡分子状态，但在比以前更高的温度下，这些预测还没有实现，主要是因为石墨烯的清洁程度很高。“

哥伦比亚团队建立在多年开拓性工作的基础上，以提高石墨烯器件的质量，完全由原子级平面2D材料制造超洁净器件：用于导电通道的双层石墨烯，用作保护绝缘体的六方氮化硼和用于电气的石墨连接和作为改变通道中电荷载流子密度的导电栅极。

该研究的一个重要组成部分是获得佛罗里达州塔拉哈西国家高磁场实验室提供的高磁场工具，这是一个由国家资助的用户设施，Hone和Dean与之建立了广泛的合作关系。他们研究了在高达34特斯拉的磁场下通过其器件的电传导，并实现了对偶数分母状态的清晰观察。

“通过相对于磁场倾斜样品，我们能够提供新的证据，证明这种FQH状态具有理论预测的许多性质，例如自旋极化，”该论文的主要作者贾莉说。 - 与Dean和Hone合作的博士研究员。“我们还发现，在双层石墨烯中，这种状态可以用传统材料无法实现的方式进行操作。”

哥伦比亚团队的结果证明了运输中的测量 - 电子如何在系统中流动 - 是确认偶数分母状态的可能外来起源的关键一步。他们的研究结果与 加州大学圣巴巴拉分校的一个研究小组的类似报告同时报道 。UCSB研究通过电容测量观察了均匀分母状态，该测量探测了与状态开始相关的电气间隙的存在。

该团队预计，他们现在在双层石墨烯中观察到的强大测量将使新的实验能够明确地证明其非阿贝尔性质。一旦建立，团队希望开始使用均匀分母状态演示计算。

“几十年来，人们一直认为，如果5/2状态确实代表了一个非阿贝尔的任何国家，它理论上可以彻底改变构建量子计算机的努力，”迪恩观察到。“然而，在过去，看到国家所需的极端条件，更不用说用于计算，始终是实用性的主要关注点。我们在双层石墨烯中的结果表明，这个梦想现在可能实际上并不是现实。“