在最近的一项调查中，研究人员发现了一种新型量子粒子，称为分数激子。这些粒子展示了惊人的特性，可能加深科学界对量子力学的理解。
在量子物理的神秘世界中，亚原子粒子常常违反传统物理定律。它们可以同时占据多个位置，穿透固体障碍，甚至在远距离之间瞬时传递信息。尽管这种行为听起来很不切实际，但科学家们正在研究量子领域中曾被认为不可能的各种特性。
最近，布朗大学的物理学家们对一种新的量子粒子类别—分数激子—做出了令人兴奋的观察。这些不寻常的粒子表现出意想不到的行为，可能会拓宽对量子现象的理解。
布朗大学物理学副教授李佳解释道：“我们的研究表明，存在一种完全新类别的量子粒子，它们没有整体电荷，但遵循独特的量子统计。这个发现最令人兴奋的方面是，它开启了多种创新的量子相态，标志着未来研究的新前沿，增强了我们对基础物理的理解，甚至为量子计算的进步铺平了新的道路。”
除了李以外，三名研究生—张乃元、阮荣和纳夫凯丹·巴特拉—以及布朗大学物理学教授迪玛·费尔德曼参与了这项研究。张、阮和巴特拉是发表在《自然》杂志上的论文的共同第一作者。
该团队研究的焦点是分数量子霍尔效应，它建立在经典霍尔效应的基础上。在经典霍尔效应中，施加在导体材料上的磁场产生侧向电压。量子霍尔效应发生在极低温和高磁场条件下，以特定增量产生这种侧向电压。同时，在分数量子霍尔效应中，这些增量变得更加特殊，以分数的电荷增加——对应于电子电荷的一部分。
为了进行实验，研究人员创建了一个由两层精细石墨烯构成的结构，这种二维纳米材料被六方氮化硼绝缘体隔开。这种安排使他们可以精确控制电荷的移动并生成激子——即电子与“空穴”配对形成的粒子，空穴是电子缺失的地方。然后，他们将该系统置于数百万倍于地球的强磁场中，从而观察分数激子的独特行为。
通常，基本粒子分为两种类型：玻色子和费米子。玻色子可以在没有限制的情况下占据同一量子态，而费米子遵循泡利不相容原理，禁止两个费米子共享同一量子态。
然而，在本实验中发现的分数激子并不严格符合这两类。尽管它们展示了预期的分数电荷，但它们的行为表现出玻色子和费米子的特性，类似于两者的混合。这使它们类似于任何子粒子——处于费米子和玻色子之间的粒子——但分数激子具备独特的特性，使它们也与任何子粒子不同。
“我们观察到的意外行为表明，分数激子可能标志着一种具有独特量子特性的全新粒子类别，”张说道。“我们证明了激子可以在分数量子霍尔状态下存在，并且其中一些激子是由分数电荷粒子的配对产生的，从而形成分数激子并不表现得像玻色子。”
团队认为，这种新粒子的识别最终可能增强量子层面上信息的存储和处理方式，推动更快、更可靠的量子计算机的发展。
李表示：“我们基本上发现了一个探索和操控这一现象的新维度，而我们仅仅开始揭开其复杂性。”他说：“这是我们首次通过实验表明这类粒子的存在，现在我们希望进一步探讨它们存在的潜在影响。”
研究的下一阶段将会探讨这些分数激子如何相互作用，以及它们的特性是否可以被操控。
费尔德曼表示：“我们感觉自己正处于先进量子力学的边缘。” 他补充道：“这一量子力学的方面之前对我们来说是未知的，或者说，直到现在我们才真正理解。”
