研究发现电子在石墨烯中变成了自身的一部分

电子是电的基本单位，因为它带有单个负电荷。这就是我们在高中物理中所教授的内容，并且在自然界的大多数材料中绝大多数都是这种情况。

但在非常特殊的物质状态下，电子可以分裂成整体的碎片。这种被称为“分数电荷”的现象极其罕见，如果它能够被聚集和控制，这种奇异的电子态可以帮助构建有弹性、容错的量子计算机。

迄今为止，这种被物理学家称为“分数量子霍尔效应”的效应已经被观察到了几次，而且大多是在非常高、精心维护的磁场下进行的。直到最近，科学家们才在不需要如此强大的磁操纵的材料中发现了这种效应。

现在，麻省理工学院的物理学家观察到了难以捉摸的分数电荷效应，这次是在一种更简单的材料中：五层石墨烯——一层由石墨和普通铅笔芯制成的原子薄碳层。他们在 《自然》杂志上报告了他们的结果。

他们发现，当五片石墨烯像楼梯上的台阶一样堆叠时，所得结构本质上为电子作为其总电荷的一部分通过提供了合适的条件，而不需要任何外部磁场。

该结果是结晶石墨烯中“分数量子反常霍尔效应”(术语“反常”指的是不存在磁场)的第一个证据，而物理学家并没有预料到这种材料会表现出这种效应。

“这种五层石墨烯是一种能带来许多惊喜的材料系统，”该研究的作者、麻省理工学院物理学助理教授 Long Ju 说。“分数电荷是如此奇特，现在我们可以通过更简单的系统并且无需磁场来实现这种效应。这本身对于基础物理学来说很重要。它可以使一种对扰动更加鲁棒的量子计算成为可能。”

Ju 的麻省理工学院合著者包括主要作者 Chengguang Lu、Tonghang Han、Yuxuan Yao、Aidan Reddy、Jixiang Yang、Junseok Seo 和 Liang Fu，以及日本国家材料科学研究所的 Kenji Watanabe 和 Takashi Taniguchi。

奇异的状态

分数量子霍尔效应是当粒子从作为单个单元行为转变为作为一个整体一起行为时可能出现的奇怪现象的一个例子。这种集体“相关”行为出现在特殊状态下，例如，当电子从正常的疯狂速度减慢到爬行速度时，粒子能够相互感知并相互作用。这些相互作用可以产生罕见的电子态，例如电子电荷看似非正统的分裂。

1982 年，科学家在砷化镓的异质结构中发现了分数量子霍尔效应，其中将限制在二维平面中的电子气体置于高磁场下。这一发现后来为该小组赢得了诺贝尔物理学奖。

“[这一发现]是一件非常重要的事情，因为这些单位电荷以某种方式相互作用，产生类似于分数电荷的东西，这是非常非常奇怪的，”朱说。“当时没有任何理论预测，实验结果让所有人都感到惊讶。”

这些研究人员利用磁场减慢材料电子的速度，使其足以相互作用，从而取得了突破性的成果。他们所使用的磁场比 MRI 机器通常提供的磁场强大约 10 倍。

2023 年 8 月，华盛顿大学的科学家首次报告了无磁场下分数电荷的证据。他们在一种名为二碲化钼的扭曲半导体中观察到了这种“异常”效应。该小组以特定的配置制备了材料，理论家预测这种配置将为材料提供固有的磁场，足以促使电子在没有任何外部磁控制的情况下分裂。

“无磁铁”的结果为拓扑量子计算开辟了一条有希望的道路——一种更安全的量子计算形式，其中添加的拓扑成分(在面对弱变形或扰动时保持不变的属性)为量子位提供了额外的保护进行计算时。该计算方案基于分数量子霍尔效应和超导体的组合。过去几乎不可能实现：需要强大的磁场才能获得分数电荷，而相同的磁场通常会杀超导体。在这种情况下，分数电荷将充当量子位(量子计算机的基本单位)。

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