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——一种源自石墨和普通铅笔芯的原子薄碳层。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。

该结果是晶体石墨烯中“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LongJu说。“分数电荷是如此奇特，现在我们可以用一个更简单的系统并且没有磁场来实现这种效应。这本身对于基础物理学来说很重要。它可以使一种更复杂的量子计算成为可能。对扰动具有鲁棒性。”

Ju的麻省理工学院合著者包括主要作者ChengguangLu、TonghangHan、YuxuanYao、AidanReddy、JixiangYang、JunseokSeo和LiangFu，以及日本国家材料科学研究所的KenjiWatanabe和TakashiTaniguchi。

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。这种集体的“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。他们在一种称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死超导体。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)。

团队照片。从左到右：鞠龙、博士后陆正光、访问本科生姚宇轩、研究生杭同航。图片来源：杨吉祥

制作步骤

同月，朱和他的团队碰巧也在石墨烯中观察到了异常分数电荷的迹象，而石墨烯是一种此前没有预测会表现出这种效应的材料。

Ju的团队一直在探索石墨烯的电子行为，石墨烯本身就表现出了非凡的特性。最近，朱的团队研究了五层石墨烯——一种由五片石墨烯片组成的结构，每片石墨烯片彼此稍微分开堆叠，就像楼梯上的台阶一样。

这种五层石墨烯结构嵌入石墨中，可以通过使用透明胶带剥离来获得。当放置在超冷温度的冰箱中时，该结构的电子会缓慢地爬行，并以在较高温度下呼啸而过时通常不会的方式相互作用。

在他们的新工作中，研究人员进行了一些计算，发现如果五层结构与六方氮化硼(hBN)(一种与石墨烯具有相似原子结构的材料)对齐，电子之间的相互作用可能会更强烈，但尺寸略有不同。

结合起来，这两种材料应该会产生莫尔超晶格——一种复杂的、类似支架的原子结构，可以模仿磁场的方式减慢电子速度。

Ju说：“我们做了这些计算，然后想，让我们开始吧。”去年夏天，他碰巧在麻省理工学院的实验室安装了一台新的稀释制冷机，该团队计划用它来将材料冷却至超低温，以研究奇异的电子行为。

研究人员首先从石墨块上剥离石墨烯层，然后使用光学工具识别阶梯状配置的五层薄片，从而制造了两个混合石墨烯结构的样品。然后，他们将石墨烯薄片压印到六方氮化硼薄片上，并将第二块六方氮化硼薄片放置在石墨烯结构上。最后，他们将电极连接到该结构上并将其放入冰箱中，设置接近绝对零。

当他们向材料施加电流并测量电压输出时，他们开始看到分数电荷的特征，其中电压等于电流乘以分数和一些基本物理常数。

“我们看到它的那天，我们一开始并没有认出它，”第一作者卢说。“然后我们开始大喊，因为我们意识到这真的很大。这是一个完全令人惊讶的时刻。”

“这可能是我们放入新冰箱的第一个重要样本，”共同第一作者韩补充道。“一旦我们冷静下来，我们就会仔细观察，以确保我们所看到的都是真实的。”

经过进一步分析，研究小组证实石墨烯结构确实表现出分数量子反常霍尔效应。这是首次在石墨烯中观察到这种效应。

“石墨烯也可以成为超导体，”鞠说。“所以，你可以在同一种材料中产生两种完全不同的效果，彼此相邻。如果你使用石墨烯与石墨烯对话，那么在将石墨烯与其他材料桥接时，可以避免许多不需要的效果。”

目前，该小组正在继续探索多层石墨烯的其他稀有电子态。

“我们正在深入探索许多基本的物理思想和应用，”他说。“我们知道还会有更多。”

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