新型量子粒子出現(xiàn)了，相關(guān)論文已經(jīng)登上Nature。

事情是這樣的，美國布朗大學(xué)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一類既不屬于玻色子，也不屬于費(fèi)米子的新粒子，這種粒子的表現(xiàn)介于兩種基本粒子之間，被稱為“分?jǐn)?shù)激子”。

研究人員表示，這種新粒子不攜帶整數(shù)電荷，卻遵循獨特的量子統(tǒng)計規(guī)律。

換句話說，這種新粒子的電荷不是常見的整數(shù)形式（如電子帶一個單位的負(fù)電荷），同時其量子行為不遵循傳統(tǒng)的玻色子或費(fèi)米子統(tǒng)計規(guī)律。

根據(jù)布朗大學(xué)物理學(xué)副教授Jia Li的說法，這挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的量子分類，可能徹底改變量子計算。

這一突破性發(fā)現(xiàn)可能為解鎖一系列物質(zhì)的新量子相開辟道路，并通過提供獨特的操控量子狀態(tài)的方法來增強(qiáng)量子計算。

網(wǎng)友們也紛紛表示，一旦量子層面的信息存儲和處理方式取得突破，基本上就像拿到了未來科技的萬能鑰匙。

新型量子粒子被發(fā)現(xiàn)

一般來說，量子世界中的次原子粒子，即比原子還小的粒子（如電子、中子、夸克等）常常違反經(jīng)典物理世界熟悉的規(guī)則，比如它們可以同時存于兩個地方，穿過堅固障礙，甚至遠(yuǎn)程即時通信。

這些看似不可能的行為，一直以來都是量子物理學(xué)的核心。

科學(xué)家們探索至今，自然界中所有的基本粒子都可以被分成兩類——玻色子和費(fèi)米子，具體取決于它們?nèi)绾巍白孕?span>（類似地球自轉(zhuǎn)）。

簡單說，自旋為整數(shù)（0、1、2等）的粒子被稱作“玻色子”，當(dāng)中最著名的要數(shù)希格斯玻色子（自旋為0，2013年獲諾貝爾物理學(xué)獎?wù)J可）；而自旋為半整數(shù)（（1/2、1^1/2、2^1/2）的粒子被稱作“費(fèi)米子”，包括質(zhì)子、中子、電子、中微子和夸克等。

之所以要做上述劃分，是因為玻色子和費(fèi)米子在量子統(tǒng)計規(guī)律、對物質(zhì)性質(zhì)和相互作用的影響，以及理論研究和模型構(gòu)建等方面存在本質(zhì)差異，這一舉措有助于深入理解微觀物理世界。

其中，它們最重要的特點在于：

玻色子能共享相同量子態(tài)，而費(fèi)米子則遵循泡利不相容原理，即兩個費(fèi)米子不能占據(jù)同一量子狀態(tài)。

然而，布朗大學(xué)物理學(xué)家這次發(fā)現(xiàn)的“分?jǐn)?shù)激子”（fractional exciton）卻無法歸入上述兩類。

具體而言，它們雖具有預(yù)期的分?jǐn)?shù)電荷，但行為卻同時表現(xiàn)出玻色子和費(fèi)米子的特征，類似兩者的混合體。

換句話說，它有點像介于兩者之間的粒子類型——任意子（Anyon，任意子既不會完全避開對方，也不會完全聚集起來），但又具有獨特屬性。

再簡單點，“分?jǐn)?shù)激子”可能代表了一類全新的、具有獨特量子屬性的粒子。

可存在于分?jǐn)?shù)量子霍爾體系中

據(jù)研究人員介紹，已有實驗表明“激子”可以存在于分?jǐn)?shù)量子霍爾體系（FQHE）中，并且其中一些激子是由帶分?jǐn)?shù)電荷的粒子配對產(chǎn)生的，形成了表現(xiàn)不像玻色子的“分?jǐn)?shù)激子”。

我們一步步來說。

首先，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)是基于經(jīng)典霍爾效應(yīng)的一種現(xiàn)象，后者指將磁場施加到有電流的材料上以產(chǎn)生橫向電壓。

而量子霍爾效應(yīng)是霍爾效應(yīng)的量子力學(xué)版本，需要在低溫強(qiáng)磁場的極端條件下才能被觀察到。在這種條件下，霍爾電阻與磁場不再呈現(xiàn)線性關(guān)系，而是出現(xiàn)量子化平臺。

也就是說，前面提到的橫向電壓出現(xiàn)了臺階式的變化。

例如，當(dāng)磁場強(qiáng)度逐漸增加時，橫向電壓可能會在某個磁場值突然從一個特定值跳到另一個特定值，然后保持不變，直到磁場強(qiáng)度達(dá)到下一個特定值時，再發(fā)生下一次跳躍。

這種跳躍式的變化是量子霍爾效應(yīng)的一個重要特征。它反映了系統(tǒng)的量子化性質(zhì)，即系統(tǒng)的能量、電荷等物理量是量子化的，只能取一些離散的值，而不是連續(xù)的值。

△圖源知乎@ andrew shen

而在分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中，這種增加方式變得更為奇特，僅為電子電荷的一小部分（出現(xiàn)了帶分?jǐn)?shù)電荷的激發(fā)態(tài)）。

實驗中，研究人員構(gòu)建了由兩層二維納米材料石墨烯組成的結(jié)構(gòu)，中間隔有六方氮化硼絕緣晶體。

這種設(shè)置使他們能夠精確控制電荷運(yùn)動，還能生成被稱為激子的粒子，這些粒子由一個電子和空穴結(jié)合而成。

然后，在比地球磁場強(qiáng)數(shù)百萬倍的極強(qiáng)磁場中，研究人員觀察到了新型分?jǐn)?shù)激子，這些激子表現(xiàn)出異常行為。

具體來說，研究人員發(fā)現(xiàn)了兩類全新的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)狀態(tài)，且它們都表現(xiàn)出了完美的拖曳響應(yīng)，他們表示這無疑是激子配對存在的有力證據(jù)。

第一類與一種特定的結(jié)構(gòu)相關(guān)。

從只在第二層有電荷載流子的Jain序列的分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)出發(fā)（彼此無層間相關(guān)性，拖曳響應(yīng)和逆流電導(dǎo)都為零），通過調(diào)整一個關(guān)鍵參數(shù)，使其變?yōu)榉橇阒禃r，研究人員意外誘導(dǎo)出了激子配對。

即沿著一條特定的線，一系列的分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)紛紛出現(xiàn)。

在平行流幾何結(jié)構(gòu)中，這些狀態(tài)表現(xiàn)得非常特別，體電導(dǎo)消失不見；而在拖曳幾何結(jié)構(gòu)中，拖曳比達(dá)到了完美的1，同時在逆流幾何結(jié)構(gòu)中還具有高導(dǎo)電性。

以上說明分?jǐn)?shù)量子霍爾能隙與層間激子電荷中性模式能在同一系統(tǒng)中兼容。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這種特定結(jié)構(gòu)的總有效填充達(dá)到整數(shù)時，這類分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)狀態(tài)就會隨之產(chǎn)生。

這意味著，在這個區(qū)域內(nèi)的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)也存在著類似層間相關(guān)性。

研究人員推測，所形成的激子可能遵循玻色統(tǒng)計規(guī)律，其低溫基態(tài)或許可以用玻色-愛因斯坦凝聚來描述。

而第二類與另一種特定序列相關(guān)，這里的激子具有非玻色性質(zhì)。

按照相關(guān)理論研究，在某些特定的點上，會出現(xiàn)這種序列的不可壓縮狀態(tài)。

研究人員通過傳輸測量，確實成功地觀察到了這些預(yù)期的分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)。而且還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)某個關(guān)鍵參數(shù)取特定值時，會出現(xiàn)一系列平行流電導(dǎo)消失的分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)。

同時，通過對電荷隙的熱激活行為進(jìn)行深入分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了其具有特征性的層次行為，這為這種特定結(jié)構(gòu)在形成電荷隙中的關(guān)鍵作用提供了有力證據(jù)。

值得一提的是，在這些狀態(tài)中，拖曳響應(yīng)也是完美的。

以一種特定的狀態(tài)為例，在這種狀態(tài)下會形成一種特殊的激子，其粒子和空穴電荷具有特殊的性質(zhì)，并且這種激子遵循費(fèi)米統(tǒng)計規(guī)律，與常見的玻色子完全不同。

當(dāng)改變一些關(guān)鍵條件時，激子的組成和性質(zhì)也會發(fā)生變化，有的激子會遵循玻色統(tǒng)計規(guī)律，有的則會表現(xiàn)出任意子行為。

總之，研究表明激子可以存在于分?jǐn)?shù)量子霍爾體系中，并且其中一些激子是由帶分?jǐn)?shù)電荷的粒子配對產(chǎn)生的。

最后研究指出，這類新型粒子未來或有助于改進(jìn)量子層面的信息存儲和處理方式，帶來更快、更可靠的量子計算機(jī)。

更多細(xì)節(jié)歡迎查閱原論文。

論文：https://arxiv.org/abs/2407.18224