石墨烯中觀察到分數量子反常霍爾效應，奇異電子態可實現更強大量子計算

分數量子霍爾效應通常在非常高的磁場下出現，但麻省理工學院的物理學家現在在簡單的石墨烯中觀察到了它。在5層石墨烯/六方氮化硼 (hBN) 莫爾超晶格中，電子（藍球）彼此強烈相互作用，并且表現得好像它們被分解成分數電荷一樣。圖片來源：桑普森·威爾科克斯。美國科學促進會優瑞科網站

　　美國麻省理工學院物理學家在5層石墨烯中觀察到了一種難以捉摸的分數電荷效應。這是結晶石墨烯中“分數量子反常霍爾效應”（“反常”指的是不存在磁場）的第一個證據。這將使一種新形式量子計算成為可能，這種類型的計算對微擾的抵抗力更強。最新一期《自然》雜志報道了這一研究結果。

　　在非常特殊的物質狀態下，電子可由一個整體分裂成幾個部分。這種被稱為“分數電荷”的現象十分少見。如果它能夠被聚集和控制，這種奇異的電子態可有助于建立彈性、容錯的量子計算機。到目前為止，物理學家已經觀察到數次分數量子霍爾效應，大多是在非常高的、精心維護的磁場下觀察到的。

　　去年8月，華盛頓大學的科學家報告了第一個沒有磁場的分數電荷的證據。他們在一種名為二硫化鉬的扭曲半導體中觀察到了這種“反常”版本的效應。“無磁鐵”的結果開辟了一條通向拓撲量子計算的有前途的道路，這是一種更安全的量子計算形式。這種計算方案是基于分數量子霍爾效應和超導體的組合。在這種情況下，分數電荷將充當量子比特。

　　此次，科學家終于在一種不需要如此強大磁場的石墨烯材料中看到了這種效果。他們發現，當5層石墨烯像臺階一樣堆放時，所產生的結構本身就為電子提供了合適的條件，使其作為總電荷的一部分通過，而不需要任何外部磁場。

　　研究人員首先從一塊石墨中剝離石墨烯層，然后使用光學工具識別階梯狀結構中的5層薄片，從而制造出兩個混合石墨烯結構的樣品。接著，他們將石墨烯薄片壓印在六方氮化硼（hBN）薄片上，并將第二片hBN薄片放在石墨烯結構上。最后，他們將電極連接到結構上，并將其放入冰箱，溫度設置為接近絕對零度。

　　當研究人員在材料上施加電流并測量輸出電壓時，他們開始看到分數電荷的特征，其中電壓等于電流乘以分數和一些基本物理常數。

　　通過進一步分析，該團隊證實了石墨烯結構確實表現出分數量子反常霍爾效應。這是第一次在石墨烯中看到這種效應。

　　目前，研究團隊正在繼續探索多層石墨烯，以尋找其他稀有電子態。