科学家发现，电子可以在没有磁场影响的情况下结合成具有分数电荷的实体。
在人类发现电子以来的127年里，电子这种粒子所受到的关注可能比其他任何粒子都多。因此，它的性质众所周知，并且被确定无疑地写在了教科书中：电子质量极小，带负电荷，可在导体中不受阻碍地游动形成电流，而在绝缘体中几乎不移动。
但随着时间的推移，例外情况也在不断出现。比如，在强磁场下，电子会失去其个体性质，形成“准粒子”，就像是一群游鱼组成的集体实体。但就算是这样的特殊状态，目前也已经被很好地研究和归纳总结。
然而，2023年科学家在对电子的研究中发现了一种新的效应，这令人十分震惊。华盛顿大学的研究人员在2023年8月的报告中称，当两片原子尺寸厚度的晶体片以小角度偏移并堆叠在一起时，电子将具有准粒子的性质，并带有分数电荷。几个月后，麻省理工学院的科研团队在另一种材料中发现了同样的效应。这是科研人员首次在没有磁场影响的情况下使电子形成分数电荷准粒子。
虽然早在2011年，就有关于这种特殊效应可能存在的预测，但理论物理学家仍然对这一新发现感到困惑。目前尚不清楚麻省理工学院科研团队的材料中存在怎样的潜在机制。几个团队的计算结果既没有完全解释分数电荷状态的产生原因，彼此之间也没有达成一致。或许还存在其他更奇特的量子物质相。
这一新发现并非偶然，也不只存在于某种材料。相反，它是一种十分普遍且基本的效应，是电子量子性的结果，尽管其直接原因尚未明确。虽然凝聚态物理学家一直致力于了解电子广泛的实际用途，但他们总是有机会发现那些足以改变世界的技术的基础原理。这次的全新发现可能有助于寻找具有稳定记忆的准粒子，进而支撑一种崭新而强大的量子计算方法。
奇特的分数电荷
故事要从1879年开始讲起。当时约翰霍普金斯大学的研究生埃德温 · 霍尔（Edwin Hall）在一条扁平的金属带上通以电流并施加垂直磁场，磁场将电子流推到了金属带的一边，由此产生的侧向电流和相关的侧向电阻后来以霍尔的名字命名。
一个世纪后，德国物理学家克劳斯 · 冯 · 克利钦（Klaus von Klitzing）利用一片超低温的纯砷化镓研究霍尔效应。当克利钦加大磁场时，他预计霍尔电阻会稳步增加。但霍尔电阻并没有持续增长，而是先稳定，然后突然上升，出现阶梯形变化。更奇怪的是，稳定平台均出现在元电荷e（即电子电荷）平方的整数倍处。
克利钦（中）发现量子霍尔效应后，霍斯特·施特默（左）也发现了分数量子霍尔效应。理论物理学家罗伯特·劳夫林（Robert Laughlin）（右）帮助解释了后者产生的原因
为什么会出现这么奇怪的平台现象？研究人员意识到，霍尔电阻无法平稳变化，因为强磁场会将电子的能级——基本上可以认为是它们可能具有的速度——分离开来。这意味着稍微增大一点磁场不会产生任何效果，且电子仍然必须保持与之前相同的速度，即保持相同的电阻。只有大幅增加磁场才能使电子跃迁到下一个能级。
1982年，当贝尔实验室的三位物理学家发现了一系列令人困惑的电阻平台现象时，情况变得更加复杂。这次的平台出现在电子电荷平方的分数值上。霍斯特 · 施特默（Horst Stōrmer）是这些现象的发现者之一，他在获得诺贝尔奖后的演讲中描述了这些分数值的奇怪之处：“许多电子协同作用，可以产生电荷小于单个电子电荷的新粒子。这种情况本来不应该发生。”施特默和同事使用了相同的材料和类似的实验装置，并且也研究了相同的不可分割的电子。那么这些古怪的分数电荷是从哪里来的呢？
理论物理学家将其归因于材料中每个电子与其他电子之间微妙的相互排斥作用。根据石溪大学凝聚态理论学家珍妮弗 · 卡诺（Jennifer Cano）的描述，这种相互作用是“缺失的部分”。相互作用的电子可以恰到好处地保持平衡并聚集磁感线，形成新的准粒子，即复合费米子。虽然单个电子占据整数n的能级，但复合费米子可以占据n/（2n+1）的能级，产生一系列分数电荷。另一种解释是，分数量子霍尔效应就像整数量子霍尔效应，但其适用于携带分数电荷的准粒子。
电子舞蹈
在有强磁场的情况下，整数和分数量子霍尔效应都会出现。但是，物理学家迫切想知道的是，在这一现象中，磁场真的是必要的吗？在20世纪80年代末，当时在加州大学圣地亚哥分校的理论物理学家邓肯 · 霍尔丹（Duncan Haldane）预测，在没有外部磁场的情况下，也有可能看到整数电荷的平台现象，即所谓的量子反常霍尔效应。（在这里，“反常”只是指“在没有外部磁场的情况下发生”。）霍尔丹想象了一种二维六角晶格的原子，电子在其中来回跳跃，彼此交换位置。由此产生的电子舞蹈就像一个内部磁场，可以替代将电子能级分离的外部磁场。
石溪大学的凝聚态物理学家卡诺是尝试研究分数量子反常霍尔效应的理论物理学家之一
2012年，中国清华大学的一组研究人员用铋、锑和碲等元素混合制成了一种金属薄膜，并加入少量铬以提供有效的内部磁场。清华团队在没有外部磁场的情况下，让电流通过薄膜，使霍尔电阻中出现了特有的整数平台。
大概在同一时间，三个独立的小组设计了制造分数量子反常霍尔效应（即在电子电荷平方的分数处有一系列平台现象）的方法。这种方法需要一种具有强大内部磁场的假想材料。此外，它还需要支持微妙的多体相互作用，这种相互作用使电子在磁场中自成一体，并产生复合费米子——这是非常苛刻的要求。“我认为这种材料永远不会出现。”普林斯顿大学凝聚态理论物理学家安德烈 · 贝尔涅维格（Andrei Bernevig）说。他也参与了其中一篇论文的工作。
他们没有预料到一种全新的二维材料的诞生。
莫尔魔术
2004年，经过几十年的努力，物理学家使用一种新颖的剥离方法成功地分离出了石墨烯——一种由碳原子组成的六角形晶格。他们使用透明胶带将石墨烯从石墨片上剥离了下来。像石墨烯这样的二维材料很快显示出作为研究电子行为的平台的潜力。几年之后，物理学家将室温石墨烯置于强磁场下，并观察到了整数量子霍尔效应。
“莫尔材料”的出现巩固了二维材料作为研究平台的地位。这个词本意是指通过叠加两层织物（如丝绸）而产生的波纹图案。物理学家借用这个词来描述当叠加的原子层以一定角度偏移或尺寸略微不匹配时产生的图案。
与传统的三维材料相比，二维的莫尔材料具有极强的可定制性。材料中的微小差异可以产生巨大的变化。例如，2017年，麻省理工学院的研究人员将两片石墨烯精确地扭曲了1.1°。当冷却到绝对零度以上几度时，莫尔材料呈现出了最吸引人的量子态之一：超导性，电子可以完全无阻碍地在材料中运动。将扭曲角度调整半度之后，超导性就会消失。几乎在一夜之间，许多研究小组改变了研究方向，开始尝试制造莫尔材料。
“通过人工组装的方式，这些晶体的外观变成了非自然状态的样子。”华盛顿大学的物理学家马修 · 扬科维茨（Matthew Yankowitz）说。
包括康奈尔大学的物理学家单杰和麦健辉在内的一些研究人员，使用被称为二维过渡金属硫族化合物（TMDs）的晶体进行研究。这种类似硅的半导体是研究电子行为的理想材料。当单杰和麦健辉用TMDs制作莫尔材料时，出现了有趣的现象：一种TMD莫尔材料表现出了量子反常霍尔效应。但对应的分数的效应依然难以得到。
分数和异常
一年前，由徐晓东领导的华盛顿大学的科研团队设法在由堆叠和扭曲的二碲化钼层制成的TMD莫尔材料中观察到了分数量子反常霍尔效应。这是首次在没有外部磁场的情况下观察到的分数量子效应。徐晓东的团队在《自然》杂志上发表文章的几周之后，上海交通大学的一个研究小组在《物理评论X》（Physical Review X）上发表了同样的结果。
徐晓东（右）带领华盛顿大学的一个团队发现了分数量子反常霍尔效应
麻省理工学院专门研究二维材料的物理学家巨龙也在研究这一现象。巨龙在氮化硼之间粘下了五层精心排列的石墨烯，将其冷却，并测量了电阻。
在没有任何磁场的情况下，分数平台的特征再次出现。“这实在是出乎意料。”巨龙说。
虽然一些研究表明，TMDs可以表现出这种效应（在适当的扭曲角度下，这些材料可能产生强大的有效内部磁场），但没有任何理论物理学家预测到这种效应会在巨龙的材料中显现出来。这一发现令人十分困惑。
石溪大学的卡诺在研究生阶段致力于研究分数量子霍尔效应，该效应现已得到了基本的解释。她说：“我认为这已经成了过去，当扭曲的TMD和石墨烯推动了这一领域的发展时，我感到非常兴奋。”卡诺和其他物理学家正在考虑如何对材料进行建模，但这并不容易。“它们会弯曲、波动、变形、扭曲，因此实际上很难建立一个正确的定量模型。”她说。
巨龙在麻省理工学院的实验室里
理解分数量子反常霍尔效应的困难是双重的。物理学家必须首先解释实验样本中实际发生的情况。然后他们还必须考虑一点：电子原则上能做什么？
人们对莫尔材料的确切作用知之甚少。一些物理学家最初怀疑莫尔材料是否真的有用处。也许真正有用的只是石墨烯。巨龙的团队尚未发表的研究结果表明，如果没有不匹配的六角形氮化硼和石墨烯晶格，就没有分数电荷。“很明显，莫尔材料很重要。”贝尔涅维格说。
存在一种可能性，层状石墨烯可以成为所谓的反常霍尔晶体。与由原子晶格制成的物理晶体（如钻石）不同，反常霍尔晶体只会短暂存在，其晶格由排列成蜂窝状的电子组成。正如卡诺所说，这种晶体中的电子是稳定的，但“仍然能够相互作用”，因此它们的集体相互作用可以产生具有分数电荷的复合费米子。
巨龙目前正在制作更多的样品，并尝试在较低的温度下进行测量。因为系统中的内能较少，这可能会让他发现异常的霍尔晶体。他说，“这项工作目前正在进行当中，现在得出结论还为时过早”。
虽然这些系统中出现的具有分数电荷的大多数准粒子都可以归因于复合费米子，但某些分子，如5/2和7/2状态，可能涉及非阿贝尔任意子的奇异准粒子。将其中的两个缠绕在一起，它们的状态就会改变，并将缠绕过程加以记录。如果这些任意子可以被隔离并“编织”，形成一种控制缠绕路径的操作，它们就可以形成量子计算所需的理想量子比特，因为其中编码的信息是稳定存在的。
非阿贝尔任意子在量子计算方面的潜力推动了学术界和工业界数十年的研究。虽然有迹象存在——其中也有部分说法之后被撤回——但没有人确切地看到过这种罕见的准粒子，更不用说将其用于计算了。加州大学圣巴巴拉分校的实验物理学家安德烈 · 杨（Andrea Young）将希望寄托在莫尔材料上，这可能是迄今为止发现物理学家的量子猎物的最佳机会。即使在二维空间，找到非阿贝尔任意子也并不容易。“这些系统中有很多东西，就像是一个动物园。”杨说。
资料来源 Quanta Magazine
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本文作者丹尼尔·加里斯托（Daniel Garisto）是一名科学作者，主要撰写物理学方向文章