石墨烯中观察到分数量子反常霍尔效应，一种奇异电子态可实现更强大量子计算
分数量子霍尔效应通常在非常高的磁场下出现，但麻省理工学院的物理学家现在在简单的石墨烯中观察到了它。在5层石墨烯/六方氮化硼(hBN)莫尔超晶格中，电子（蓝球）彼此强烈相互作用，并且表现得好像它们被分解成分数电荷一样。
图片来源：桑普森·威尔科克斯。美国科学促进会优瑞科网站
美国麻省理工学院物理学家在5层石墨烯中观察到了一种难以捉摸的分数电荷效应。这是结晶石墨烯中“分数量子反常霍尔效应”（“反常”指的是不存在磁场）的第一个证据。这将使一种新形式量子计算成为可能，这种类型的计算对微扰的抵抗力更强。最新一期《自然》杂志报道了这一研究结果。
在非常特殊的物质状态下，电子可由一个整体分裂成几个部分。这种被称为“分数电荷”的现象十分少见。如果它能够被聚集和控制，这种奇异的电子态可有助于建立弹性、容错的量子计算机。到目前为止，物理学家已经观察到数次分数量子霍尔效应，大多是在非常高的、精心维护的磁场下观察到的。
去年8月，华盛顿大学的科学家报告了第一个没有磁场的分数电荷的证据。他们在一种名为二硫化钼的扭曲半导体中观察到了这种“反常”版本的效应。“无磁铁”的结果开辟了一条通向拓扑量子计算的有前途的道路，这是一种更安全的量子计算形式。这种计算方案是基于分数量子霍尔效应和超导体的组合。在这种情况下，分数电荷将充当量子比特。
此次，科学家终于在一种不需要如此强大磁场的石墨烯材料中看到了这种效果。他们发现，当5层石墨烯像台阶一样堆放时，所产生的结构本身就为电子提供了合适的条件，使其作为总电荷的一部分通过，而不需要任何外部磁场。
研究人员首先从一块石墨中剥离石墨烯层，然后使用光学工具识别阶梯状结构中的5层薄片，从而制造出两个混合石墨烯结构的样品。接着，他们将石墨烯薄片压印在六方氮化硼（hBN）薄片上，并将第二片hBN薄片放在石墨烯结构上。最后，他们将电极连接到结构上，并将其放入冰箱，温度设置为接近绝对零度。
当研究人员在材料上施加电流并测量输出电压时，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。
通过进一步分析，该团队证实了石墨烯结构确实表现出分数量子反常霍尔效应。这是第一次在石墨烯中看到这种效应。
目前，研究团队正在继续探索多层石墨烯，以寻找其他稀有电子态。
科技日报记者 张佳欣
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