弱磁場下扭曲雙層石墨烯奇異分數态首現
有助未來量子設備研發應用
科技日報北京12月19日電(實習記者張佳欣)美國哈佛大學與麻省理工學院的研究人員合作,首次在弱磁場下觀察到扭曲的雙層石墨烯的奇異分數态。這項研究發表在15日的《自然》雜志上,為未來的量子設備和應用鋪平了道路。
奇異的量子粒子和現象隻有最極端的條件才會出現。換句話說,必須具備極低的溫度或極高的磁場。人們已經對室溫超導做了很多研究,但在弱磁場至零磁場下産生奇異的分數電荷粒子,對未來量子材料和應用同樣重要,包括新型量子計算。
這項研究的資深作者、哈佛大學工程與應用科學學院物理學和應用物理學教授阿米爾·亞科比說:“凝聚态物理領域的目标之一是獲得磁場低到零的奇異粒子。有理論預測說,我們應該能看到這些弱至零磁場的奇異粒子,但此前還沒有人能觀察到它。”
研究人員從一種被稱為“分數陳絕緣體”的特殊量子狀态着手。陳絕緣體是拓撲絕緣體,這意味着它們在表面或邊緣導電,但在中間不導電。在分數陳絕緣體中,電子相互作用形成所謂的準粒子,這是一種從大量其他粒子之間複雜的相互作用中産生的粒子。和基本粒子一樣,準粒子也有明确的性質,比如質量和電荷。
在分數陳絕緣體中,材料内部的電子相互作用非常強,準粒子被迫攜帶正常電子電荷的一小部分。這些分數粒子具有奇特的量子特性,可用于創建強大的量子比特,對外界幹擾具有極強的彈性。
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,包括超導性,以及被稱為“陳能帶”的狀态,這些狀态具有産生分數量子态的巨大潛力。
研究人員稱,這些陳能帶就像裝滿電子的水桶。為了産生分數态,研究人員需要在“水桶”中的一小部分裝滿電子。但隻有當“桶”中的所有電子必須具有幾乎相同的性質時,電子的貝裡曲率變得均勻,才能出現分數的陳絕緣态。為此,研究人員添加了一個非常小的磁場,使電子之間均勻分布貝裡曲率,從而能在扭曲的雙層石墨烯中觀察到分數的陳絕緣體。
研究人員表示,在魔角扭曲的雙層石墨烯中發現了低磁場分數的陳絕緣體,開啟了拓撲量子物質領域的新篇章。它提供了将這些奇異狀态與超導電性耦合起來的現實前景,可能會創造和控制更奇異的拓撲準粒子,也就是所謂的“任意子”。
總編輯圈點
諾貝爾物理學獎得主安德烈·海姆曾提出,幾千年的人類曆史,從瓷器時代、青銅時代、鐵器時代到如今矽與塑料的時代,每個時代都有其代表性材料,而下一種代表性材料是二維材料。确實,二維材料正在悄悄登上時代舞台并大放異彩,其中的“頂流”就包括石墨烯。我們難以預測未來二維材料還會帶來哪些像“魔角扭曲的雙層石墨烯”産生的物理奇觀,但可以想到的是,在科技革命的浪潮中注定會有它們的身影。
(《科技日報》2021年12月20日,第 4 版。)
有話要說...