研究揭示了双层石墨烯中的奇异量子态

来自美国布朗大学和哥伦比亚大学的研究人员已经证明了在双层堆叠（一种二维材料）中出现的以前未知的物质状态。这些新状态被称为分数量子霍尔效应，来自层内和层间电子的复杂相互作用。

“研究结果表明，将2D材料紧密地堆叠在一起会产生全新的物理效应，”布朗大学物理学助理教授李佳说。他是哥伦比亚大学(Columbia)的博士后，与物理学教授科里迪恩(Cory

Dean)和机械工程学教授吉姆霍恩(Jim

Hone)合作开展这项研究。“在材料工程方面，这项工作表明，这些分层系统可以用于创造利用这些新量子霍尔状态的新型电子器件。”

该研究发表在“自然物理学”杂志上。

重要的是，哥伦比亚大学工程学院机械工程学教授吉姆霍恩，王方珍（Wang

Fong-Jen）说，这些新的量子霍尔态中的一些“可能在制造容错量子计算机方面有用”。

当施加到导电材料上的磁场方向与电流垂直时，便会出现霍尔效应。磁场使电流偏转，产生横向电压，称为霍尔电压。霍尔电压的强度随着磁场强度的增加而增加。霍尔效应最早是在1980年低温和强磁场实验中发现的。实验表明，霍尔电压不是随着磁场强度平滑地增加，而是呈阶梯（或量化）式增加。这些步骤是自然基本常数的整数倍，并且完全独立于实验中使用材料的物理组分。该发现被授予1985年诺贝尔物理学奖。

几年后，研究人员在接近绝对零度且具有非常强的磁场的环境下工作时，发现了新型的量子霍尔态，其中霍尔电压中的量子步长对应于分数，称为分数量子霍尔效应。分数量子霍尔效应的发现在1998年获得了另一个诺贝尔奖。理论家后来认为分数量子霍尔效应与称为复合费米子的准粒子的形成有关。在这种状态下，每个电子与一定量的磁通量结合形成复合费米子，其携带一部分电子电荷，从而产生霍尔电压的分数值。

复合费米子理论成功地解释了在单量子阱系统中观察到的无数现象。这项新研究使用双层来研究当两个量子阱靠近时会发生什么。理论认为两层之间的相互作用会产生一种新型的复合费米子，但这在实验中从未被观察到。

在实验中，该团队在哥伦比亚大学多年的工作基础上，提高了器件的质量，完全采用原子级平面2D材料制造超洁净器件。该结构的核心由两个层组成，层之间由作为绝缘屏障的六方氮化硼薄层隔开。双层结构由六方氮化硼作为保护绝缘体封装，石墨作为导电栅极，以改变沟道中的电荷载流子密度。

“令人难以置信的多功能性再一次使我们能够将器件结构的极限推向前所未有的水平。”哥伦比亚大学物理学教授迪恩说。“制作这些器件的精确性和可调性使我们能够探索整个物理学领域，而这个领域最近被认为是完全不可企及的。”

随后将结构暴露在强磁场中比地球磁场强数百万倍。该研究产生了一系列分数量子霍尔态，其中一些与复合费米子模型表现出极好的一致性，还有一些从未被预测或看到过。

“除了层间复合费米子之外，我们还观察到复合费米子模型中无法解释的其他特征，”该报的共同第一作者，哥伦比亚大学的博士后研究员施勤辉说。“更仔细的研究表明，令我们惊讶的是，这些新状态是由复合费米子之间的配对造成的。相邻层复合费米子和同层内复合费米子之间的配对相互作用产生了各种新的量子现象，使得双层成为令人兴奋的研究平台。”

“特别有趣的是，”Hone说，“有几个新的状态有可能承载非阿贝尔波函数这些状态不太符合传统的复合费米子模型。”在非阿贝尔态中，电子保持着一种对它们过去相对位置的“记忆”。这有可能使量子计算机不需要纠错，而纠错目前是该领域的一个主要障碍。

迪安说:“这是30年来第一批非阿贝尔州的新候选人。“从我们的实验中发现新的物理现象，真是令人兴奋。”