在弱磁场下首次观察到扭曲的双层石墨烯的奇异分数态

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。

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。(科技日报 实习记者张佳欣)

关键词： 石墨 双层 奇异 磁场