美國(guó)哈佛大學(xué)與麻省理工學(xué)院的研究人員合作，首次在弱磁場(chǎng)下觀察到扭曲的雙層石墨烯的奇異分?jǐn)?shù)態(tài)。這項(xiàng)研究發(fā)表在15日的《自然》雜志上，為未來的量子設(shè)備和應(yīng)用鋪平了道路。
奇異的量子粒子和現(xiàn)象只有最極端的條件才會(huì)出現(xiàn)。換句話說，必須具備極低的溫度或極高的磁場(chǎng)。人們已經(jīng)對(duì)室溫超導(dǎo)做了很多研究，但在弱磁場(chǎng)至零磁場(chǎng)下產(chǎn)生奇異的分?jǐn)?shù)電荷粒子，對(duì)未來量子材料和應(yīng)用同樣重要，包括新型量子計(jì)算。
這項(xiàng)研究的資深作者、哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)教授阿米爾·亞科比說：“凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的目標(biāo)之一是獲得磁場(chǎng)低到零的奇異粒子。有理論預(yù)測(cè)說，我們應(yīng)該能看到這些弱至零磁場(chǎng)的奇異粒子，但此前還沒有人能觀察到它。”
研究人員從一種被稱為“分?jǐn)?shù)陳絕緣體”的特殊量子狀態(tài)著手。陳絕緣體是拓?fù)浣^緣體，這意味著它們?cè)诒砻婊蜻吘墝?dǎo)電，但在中間不導(dǎo)電。在分?jǐn)?shù)陳絕緣體中，電子相互作用形成所謂的準(zhǔn)粒子，這是一種從大量其他粒子之間復(fù)雜的相互作用中產(chǎn)生的粒子。和基本粒子一樣，準(zhǔn)粒子也有明確的性質(zhì)，比如質(zhì)量和電荷。
在分?jǐn)?shù)陳絕緣體中，材料內(nèi)部的電子相互作用非常強(qiáng)，準(zhǔn)粒子被迫攜帶正常電子電荷的一小部分。這些分?jǐn)?shù)粒子具有奇特的量子特性，可用于創(chuàng)建強(qiáng)大的量子比特，對(duì)外界干擾具有極強(qiáng)的彈性。
為了建造絕緣體，研究人員使用了兩片石墨烯，它們以所謂的“魔角”扭曲在一起。扭曲揭示了石墨烯新的、不同的性質(zhì)，包括超導(dǎo)性，以及被稱為“陳能帶”的狀態(tài)，這些狀態(tài)具有產(chǎn)生分?jǐn)?shù)量子態(tài)的巨大潛力。
研究人員稱，這些陳能帶就像裝滿電子的水桶。為了產(chǎn)生分?jǐn)?shù)態(tài)，研究人員需要在“水桶”中的一小部分裝滿電子。但只有當(dāng)“桶”中的所有電子必須具有幾乎相同的性質(zhì)時(shí)，電子的貝里曲率變得均勻，才能出現(xiàn)分?jǐn)?shù)的陳絕緣態(tài)。為此，研究人員添加了一個(gè)非常小的磁場(chǎng)，使電子之間均勻分布貝里曲率，從而能在扭曲的雙層石墨烯中觀察到分?jǐn)?shù)的陳絕緣體。
研究人員表示，在魔角扭曲的雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了低磁場(chǎng)分?jǐn)?shù)的陳絕緣體，開啟了拓?fù)淞孔游镔|(zhì)領(lǐng)域的新篇章。它提供了將這些奇異狀態(tài)與超導(dǎo)電性耦合起來的現(xiàn)實(shí)前景，可能會(huì)創(chuàng)造和控制更奇異的拓?fù)錅?zhǔn)粒子，也就是所謂的“任意子”。(實(shí)習(xí)記者 張佳欣)
關(guān)鍵詞： 弱磁場(chǎng) 雙層石墨烯奇異分?jǐn)?shù)態(tài) 量子設(shè)備 量子粒子
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