需要奇异的无量子粒子磁场

魔术角扭曲双分子层石墨烯中的电子分馏。资料来源:Second Bay Studios/Harvard SEAS

奇异的量子粒子和现象就像世界上最大胆的精英运动员。就像那些在没有绳索或绳索的情况下攀爬陡峭悬崖的自由单人登山者一样，只有在最极端的条件下他们才会出现。对于像超导或粒子携带电子的一小部分电荷这样的奇异现象，这意味着极低的温度或极高的磁场。

但如果你能让这些粒子和现象在不那么极端的条件下出现呢?室温超导的潜力已经取得了很大进展，但在低到零的磁场中产生奇异的少量带电粒子对量子材料和应用的未来同样重要，包括新型量子计算。

现在，哈佛大学的一组研究人员由哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的物理学和应用物理学教授Amir Yacoby和物理系的教授Ashvin Vishwanath领导，他们与麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero合作，首次在低磁场下观察到扭曲双分子层石墨烯的奇异分数态。

这项研究发表在《自然》杂志上。

该研究的资深作者Yacoby说:“凝聚态物理学领域的圣杯之一是获得具有低至零磁场的外来粒子。”“有理论预测，我们应该能够看到这些奇异的粒子在低到零的磁场，但迄今为止没有人能够观察到它。”

研究人员对一种特殊的奇异量子态——分式陈氏绝缘子感兴趣。陈氏绝缘体是拓扑绝缘体，这意味着它们在表面或边缘导电，而不是在中间。

在一个分式的陈氏绝缘体中，电子相互作用形成了所谓的准粒子，一种由大量其他粒子之间的复杂相互作用产生的粒子。例如，声音可以被描述为准粒子，因为它产生于物质中粒子之间复杂的相互作用。像基本粒子一样，准粒子也有质量和电荷等明确的性质。

在部分Chern绝缘体中，材料内部的电子相互作用是如此强烈，以至于准粒子被迫携带正常电子的一小部分电荷。这些零散的粒子具有奇异的量子特性，可以用来创建强大的量子比特，它们对外界干扰具有极强的弹性。

为了建造他们的绝缘体，研究人员使用了两片石墨烯以所谓的魔角缠绕在一起。扭曲释放了石墨烯新的和不同的性质，包括由麻省理工学院的Jarillo-Herrero团队首次发现的超导性，以及被称为Chern带的状态，这些状态具有产生分量子态的巨大潜力，正如哈佛大学的Vishwanath团队在理论上所展示的那样。

可以把这些陈氏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’，而这些‘桶’是你获得这些奇异的微粒所需的拓扑构建模块，”Yacoby团队的研究生、论文的第一作者之一安德鲁·t·皮尔斯(Andrew T. Pierce)说。“但魔术角扭曲双层石墨烯在零磁场下已经具备了这些有用的拓扑单元。”

为了产生分数态，研究人员需要将电子填满桶的一小部分。但这里有个障碍:要想这样做，一个桶里的所有电子必须具有几乎相同的属性。在扭曲双分子层石墨烯中，它们没有。在这个系统中，电子具有一种被称为贝里曲率的不同水平的性质，它导致每个电子都经历一个与其特定动量相关的磁场。(这比这更复杂，但在量子物理中什么不是呢?)

当填满桶时，电子的贝瑞曲率需要被均匀化，才能出现分数阶的Chern绝缘子态。

这就是施加磁场的地方。

“我们表明，我们可以应用一个非常小的磁场，在系统中的电子中均匀分布Berry曲率，允许我们在扭曲的双分子层石墨烯中观察到一个分式的Chern绝缘体，”该论文的第一作者、海洋科学与工程学院博士后谢永龙说。“这项研究阐明了贝里曲率在实现分馏异域状态方面的重要性，并可能指向其他平台，在这些平台上贝里曲率不像在扭曲石墨烯中那样不均匀。”

该研究的资深作者Vishwanath说:“扭曲双分子层石墨烯是一份持续不断的礼物，而这部分Chern绝缘体的发现可以说是该领域最重要的进展之一。”“想到这种神奇的材料最终是由和你的铅笔尖相同的材料制成，真是令人惊讶。”

“魔术角扭曲双层石墨烯低磁场分式Chern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态与超导性耦合的现实前景，可能使创造和控制更奇异的拓扑准粒子(称为任意子)成为可能。”

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, Takashi Taniguchi共同撰写。