奇异的量子粒子——所需的磁场更少

奇异的量子粒子和现象就像世界上最大胆的精英运动员。 就像那些没有Tether或安全带攀登不可思议的陡峭悬崖的自由单人登山者一样，只有最极端的条件才会吸引他们出现。 对于像超导性或携带一小部分电子电荷的粒子这样的奇异现象，这意味着极低的温度或极高的磁场。

但是，如果你能让这些粒子和现象在不太极端的条件下出现呢？ 室温超导的潜力已经得到了很多研究，但在低到零磁场下产生奇异的带电粒子对于量子材料和应用的未来同样重要，包括新型量子计算。

现在，由哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 物理学和应用物理学教授 Amir Yacoby 和物理系物理学教授 Ashvin Vishwanath 领导的一组研究人员，与麻省理工学院的 Pablo Jarillo-Herrero 合作，首次在扭曲的双层石墨烯中观察到低磁场下的奇异分数态。

该研究发表在《自然》杂志上。

该研究的资深作者 Yacoby 说：“凝聚态物理学领域的一个圣杯是获得具有低到零磁场的奇异粒子。” “有理论预测，我们应该能够在低到零磁场的情况下看到这些奇异的粒子，但直到现在还没有人能够观察到它。”

研究人员对称为分数陈绝缘体的特定奇异量子态感兴趣。 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，一种从大量其他粒子之间的复杂相互作用中产生的粒子。 例如，声音可以被描述为准粒子，因为它是从材料中粒子的复杂相互作用中产生的。 与基本粒子一样，准粒子具有明确定义的特性，如质量和电荷。

在分数陈绝缘体中，材料内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异的量子特性，可用于创建强大的量子位，这些量子位对外部干扰具有极强的弹性。

为了制造绝缘体，研究人员使用了两片以所谓的魔角扭曲在一起的石墨烯。 扭曲揭示了石墨烯的新的和不同的特性，包括超导性，这是由麻省理工学院的 Jarillo-Herrero 小组首次发现的，以及被称为陈能带的状态，具有产生分数量子态的巨大潜力，如哈佛 Vishwanath 小组的理论所示。

把这些陈能带想象成装满电子的水桶。

“在之前的研究中，你需要一个大磁场来产生这些桶，这是获得这些奇异分数粒子所需的拓扑构建块，”雅科比小组的研究生、共同第一人安德鲁·T·皮尔斯说该论文的作者。 “但魔角扭曲双层石墨烯已经在零磁场下内置了这些有用的拓扑单元。”

为了产生分数状态，研究人员需要用电子填充桶的一小部分。 但这里有一个问题：要使其发挥作用，桶中的所有电子必须具有几乎相同的特性。 在扭曲的双层石墨烯中，它们没有。 在这个系统中，电子具有不同级别的特性，称为 Berry 曲率，这会导致每个电子经历与其特定动量相关的磁场。 （它比那更复杂，但量子物理学中没有什么？）

当装满桶时，电子的贝里曲率需要均匀化，才能出现分数陈绝缘体状态。

这就是一个小的外加磁场出现的地方。

“我们表明，我们可以施加一个非常小的磁场，在系统中的电子之间均匀分布 Berry 曲率，这使我们能够观察到扭曲双层石墨烯中的分数陈绝缘体，”SEAS 博士后研究员兼合作伙伴谢永龙说。论文的第一作者。 “这项研究揭示了 Berry 曲率在实现分异奇异状态方面的重要性，并可能指出 Berry 曲率不像扭曲石墨烯那样异质的替代平台。”

该研究的资深作者 Vishwanath 说：“扭曲的双层石墨烯是一种不断给予的礼物，分数陈绝缘体的这一发现可以说是该领域最重要的进步之一。” “想到这种神奇的材料最终是由与你的铅笔尖相同的材料制成的，真是令人惊讶。”

“魔角扭曲双层石墨烯中低磁场分数陈绝缘体的发现开启了拓扑量子物质领域的新篇章，”麻省理工学院塞西尔和艾达格林物理学教授、该研究的资深作者 Jarillo-Herrero 说. “它提供了将这些奇异状态与超导耦合的现实前景，可能能够创造和控制更奇异的拓扑准粒子，称为任意子。”

该研究由 Jeong Min Park、Daniel E. Parker、Eslam Khalaf、Patrick Ledwith、Yuan Cao、Seung Hwan Lee、Shaowen Chen、Patrick R. Forrester、Kenji Watanabe、Taniguchi 合着。

它得到了美国能源部、基础能源科学办公室、材料科学与工程部 DE-SC0001819、戈登和贝蒂摩尔基金会、国家科学基金会和西蒙斯基金会的部分支持。

故事来源：

材料 由…提供 哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院. 原著由利亚·伯罗斯 (Leah Burrows) 撰写。 注意：内容可以根据样式和长度进行编辑。