美国哈佛大学与麻省理工学院的研究人员合作 ， 首次在弱磁场下观察到扭曲的双层石墨烯的奇异分数态 。 这项研究发表在15日的《自然》杂志上 ， 为未来的量子设备和应用铺平了道路 。
奇异的量子粒子和现象只有最极端的条件才会出现 。 换句话说 ， 必须具备极低的温度或极高的磁场 。 人们已经对室温超导做了很多研究 ， 但在弱磁场至零磁场下产生奇异的分数电荷粒子 ， 对未来量子材料和应用同样重要 ， 包括新型量子计算 。
 这项研究的资深作者、哈佛大学工程与应用科学学院物理学和应用物理学教授阿米尔·亚科比说：凝聚态物理领域的目标之一是获得磁场低到零的奇异粒子 。 有理论预测说 ， 我们应该能看到这些弱至零磁场的奇异粒子 ， 但此前还没有人能观察到它 。
研究人员从一种被称为分数陈绝缘体的特殊量子状态着手 。 陈绝缘体是拓扑绝缘体 ， 这意味着它们在表面或边缘导电 ， 但在中间不导电 。 在分数陈绝缘体中 ， 电子相互作用形成所谓的准粒子 ， 这是一种从大量其他粒子之间复杂的相互作用中产生的粒子 。 和基本粒子一样 ， 准粒子也有明确的性质 ， 比如质量和电荷 。
在分数陈绝缘体中 ， 材料内部的电子相互作用非常强 ， 准粒子被迫携带正常电子电荷的一小部分 。 这些分数粒子具有奇特的量子特性 ， 可用于创建强大的量子比特 ， 对外界干扰具有极强的弹性 。
【 科技日报|弱磁场下扭曲双层石墨烯奇异分数态首现 有助未来量子设备研发应用】为了建造绝缘体 ， 研究人员使用了两片石墨烯 ， 它们以所谓的魔角扭曲在一起 。 扭曲揭示了石墨烯新的、不同的性质 ， 包括超导性 ， 以及被称为陈能带的状态 ， 这些状态具有产生分数量子态的巨大潜力 。
研究人员称 ， 这些陈能带就像装满电子的水桶 。 为了产生分数态 ， 研究人员需要在水桶中的一小部分装满电子 。 但只有当桶中的所有电子必须具有几乎相同的性质时 ， 电子的贝里曲率变得均匀 ， 才能出现分数的陈绝缘态 。 为此 ， 研究人员添加了一个非常小的磁场 ， 使电子之间均匀分布贝里曲率 ， 从而能在扭曲的双层石墨烯中观察到分数的陈绝缘体 。
研究人员表示 ， 在魔角扭曲的双层石墨烯中发现了低磁场分数的陈绝缘体 ， 开启了拓扑量子物质领域的新篇章 。 它提供了将这些奇异状态与超导电性耦合起来的现实前景 ， 可能会创造和控制更奇异的拓扑准粒子 ， 也就是所谓的任意子 。
总编辑圈点
诺贝尔物理学奖得主安德烈·海姆曾提出 ， 几千年的人类历史 ， 从瓷器时代、青铜时代、铁器时代到如今硅与塑料的时代 ， 每个时代都有其代表性材料 ， 而下一种代表性材料是二维材料 。 确实 ， 二维材料正在悄悄登上时代舞台并大放异彩 ， 其中的顶流就包括石墨烯 。 我们难以预测未来二维材料还会带来哪些像魔角扭曲的双层石墨烯产生的物理奇观 ， 但可以想到的是 ， 在科技革命的浪潮中注定会有它们的身影 。

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