科学家观测到奇异量子效应 电子显现出分数电荷

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科学家观测到奇异量子效应 电子显现出分数电荷






只有单个原子厚的石墨烯薄层示意图。(Shutterstock)








（大纪元记者林达编译报导）万物的基本组成成分是原子，即包含中子和质子的原子核，加上电子在轨道上绕其运行。但即使质子和中子也由被称为胶子和夸克的粒子所组成。另一方面，电子是基本粒子，这意味着它不是由更小的粒子组成的。但这并不一定意味着它不能被分成更小的部分。


根据2月21日在《自然》杂志上发表的一篇新论文，麻省理工学院的科学家将电子分裂成几个部分，这是一种被称为“分数电荷”（fractional charge）的罕见现象。虽然这种现象几十年前就已为人所知，但麻省理工学院分配电子的方法确实引起了一些人的注意。通常，为了获得这种“分数量子霍尔效应”，需要创建一个持续存在的磁场。直到最近才在这些强大的磁场条件之外观察到这种效应。


在这项新研究中，科学家们观察到了“分数电荷”，所使用的材料就像几层超薄石墨烯（graphene）一样简单，它本质上就是二号铅笔中的材料。为了实现这一目标，研究人员以阶梯状的图案堆叠了五层石墨烯，每层只有一个原子厚。


“这种五层石墨烯是一种材料系统，会带来许多惊喜。”论文合著者、麻省理工学院物理学助理教授居隆（Long Ju，音译）在一份新闻声明中说，“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，却使一种更加抗干扰的量子计算成为可能。”


他们将石墨烯薄层嵌在两片氮化硼（hBN）之间，氮化硼具有与石墨烯相似的原子结构，使得电子相互作用更加强烈。这种配对创造了一种晶格，本质上模仿了磁场的常见效应。一旦配备了电极并冷却到接近绝对零的温度，研究小组就目睹了意想不到的“分数电荷”。


“我们看到它时，一开始并没有认出它。”居教授说，“然后开始大喊，因为我们意识到这真的很重要。这是一个完全令人惊讶的时刻。”


根据麻省理工学院的新闻稿，这种排列允许电子仅携带一小部分电荷通过，从而在晶体石墨烯中产生第一个“分数量子反常霍尔效应”（这里的反常指“非磁性”）。


居隆解释道，早在1982年，一个使用砷化镓和磁铁所做的实验中首次观测到这种“分数量子霍尔效应”，这一发现最终为三名研究人员赢得了1998年诺贝尔物理学奖。分数电子电荷的发现是完全出乎意料的，当时没有理论可以解释它。另外，为了实现第一个“分数电荷”，研究人员当时使用了比核磁共振成像（MRI）机器强10倍的磁场。


直到2023年7月，第一个研究小组才利用二碲化钼扭曲半导体发现了非磁性分数电荷，现在石墨烯也加入了这个“异常”名单。发现更多像石墨烯这样具有类似效果的材料可能会给量子计算带来好处，因为这种现象可以在计算过程中为量子位（qubit）提供额外的抗干扰保护。◇


责任编辑：孙芸#
https://www.epochtimes.com/gb/24/3/5/n14194928.htm

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