弱磁场下扭曲双层石墨烯的奇异分数态有助于量子器件的进一步研究和应用

哈佛大学与麻省理工学院的研究人员合作，首次在弱磁场中观察到扭曲双层石墨烯的奇异分数态。这项研究发表在第15期《自然》杂志上，为未来的量子器件和应用铺平了道路。

奇怪的量子粒子和现象只会在最极端的条件下出现。换句话说，它必须有极低的温度或极高的磁场。人们对室温超导做了大量的研究，但产生从弱磁场到零磁场的奇异分数电荷粒子，包括新的量子计算，对未来的量子材料和应用同样重要。

这项研究的资深作者、哈佛大学工程与应用科学学院物理学和应用物理学教授阿米尔艾科比(Amir Iacobbi)说：“凝聚态物理的目标之一是获得磁场低至零的奇怪粒子。有一个理论预测，我们应该可以看到这些磁场弱到零的奇怪粒子，但以前没有人能够观察到。”

研究人员从一种叫做分数陈绝缘体的特殊量子态开始。旧绝缘体是拓扑绝缘体，这意味着它们在表面或边缘导电，但在中间不导电。在分数绝缘体中，电子相互作用形成所谓的准粒子，这是由大量其他粒子之间的复杂相互作用产生的粒子。像基本粒子一样，准粒子有确定的性质，如质量和电荷。

在分数绝缘体中，材料内部的电子相互作用非常强，准粒子被迫携带一小部分正常电子电荷。这些分数粒子具有特殊的量子特性，可以用来创建强大的量子比特，并且对外部干扰具有极强的弹性。

为了建造绝缘体，研究人员使用了两片石墨烯，它们通过所谓的“魔角”扭曲在一起。揭示了扭曲石墨烯的新的和不同的性质，包括超导性和被称为“旧能带”的状态，它们具有产生分数量子态的巨大潜力。

研究人员说，这些能带就像装满电子的水桶。为了产生分数态，研究人员需要用电子填充“桶”的一小部分。但只有当“桶”中的所有电子必须具有几乎相同的性质时，电子的Berry曲率才变得均匀，分数旧绝缘状态才能出现。为此，研究人员添加了一个非常小的磁场，使贝里曲率在电子之间均匀分布，这样就可以在扭曲的双层石墨烯中观察到一小部分旧绝缘体。

研究人员表示，在扭曲的双层石墨烯中发现了低磁场分数的旧绝缘体，开启了拓扑量子物质领域的新篇章。它为这些奇异态与超导性的耦合提供了现实的前景，并可能创造和控制更多奇异的拓扑准粒子，即所谓的“任意子”。

诺贝尔物理学奖获得者安德烈海姆曾指出，人类几千年的历史，从瓷器时代、青铜时代、铁器时代到今天的硅塑料时代，每个时代都有其代表材料，下一个代表材料就是二维材料。的确，二维材料正悄然登上时代舞台，大放异彩，其中“顶流”就包括石墨烯。我们很难预测未来二维材料会带来什么“魔角扭曲双层石墨烯”这样的物理奇观，但可想而知，它们在科技革命的浪潮中必然会出现。