研究发现，电子在石墨烯中成为自身的一部分

电子是电的基本单位，因为它带有一个负电荷。这是我们在高中物理中学到的，在自然界的大多数材料中都是如此。

但是在非常特殊的物质状态下，电子可以分裂成整体的一部分。这种被称为“分数电荷”的现象极为罕见，如果它能够被控制和控制，这种奇异的电子态可以帮助建立有弹性的、容错的量子计算机。

迄今为止，这种效应被物理学家称为“分数量子霍尔效应”，已经被观察到了几次，而且大多是在非常高的、精心维护的磁场下。直到最近，科学家们才在一种不需要如此强大的磁操纵的材料中看到了这种效应。

现在，麻省理工学院的物理学家已经观察到了难以捉摸的分数电荷效应，这次是在一种更简单的材料中：五层石墨烯——一种原子薄的碳层，来自石墨和普通的铅笔芯。他们今天在 《自然》杂志上报告了他们的研究结果。

他们发现，当五片石墨烯像楼梯上的台阶一样堆叠时，由此产生的结构本身就为电子提供了适当的条件，使其作为其总电荷的一部分通过，而不需要任何外部磁场。

这些结果是晶体石墨烯中“分数量子反常霍尔效应”（术语“异常”是指没有磁场）的第一个证据，物理学家没有预料到这种材料会表现出这种效应。

“这种五层石墨烯是一种材料系统，其中发生了许多惊喜，”研究作者、麻省理工学院物理学助理教授Long Ju说。“分数电荷是如此奇特，现在我们可以通过一个更简单的系统来实现这种效应，而且没有磁场。这本身对基础物理学很重要。它可能使一种量子计算成为可能，这种量子计算对扰动的鲁棒性更强。

Ju 在麻省理工学院的合著者是主要作者 Zhengguang Lu、Tonghang Han、Yuxuan Yao、Aidan Reddy、Jixiang Yang、Junseok Seo 和 Liang Fu，以及日本国立材料科学研究所的 Kenji Watanabe 和 Takashi Taniguchi。

一个奇怪的状态

分数量子霍尔效应是粒子从作为单个单元转变为作为一个整体一起行动时可能出现的奇怪现象的一个例子。这种集体的“相关”行为出现在特殊状态下，例如，当电子从通常狂热的速度减慢到使粒子能够相互感知和相互作用的爬行时。这些相互作用可以产生罕见的电子态，例如看似非正统的电子电荷分裂。

1982年，科学家在砷化镓的异质结构中发现了分数量子霍尔效应，其中限制在二维平面中的电子气体被置于高磁场下。这一发现后来为该小组赢得了诺贝尔物理学奖。

“[这一发现]是一件大事，因为这些单位电荷相互作用，产生分数电荷之类的东西，这是非常非常奇怪的，”Ju说。“当时，没有理论预测，实验让所有人都感到惊讶。

这些研究人员取得了突破性的结果，他们使用磁场来减慢材料的电子速度，使其相互作用。他们研究的领域比通常为MRI机器提供动力的领域强约10倍。

2023 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。他们在一种叫做二碲化钼的扭曲半导体中观察到了这种“异常”版本的效应。该小组以特定的配置制备了材料，理论家预测这将给材料一个固有的磁场，足以鼓励电子在没有任何外部磁控制的情况下分馏化。

“无磁铁”的结果为拓扑量子计算开辟了一条有前途的途径——一种更安全的量子计算形式，其中拓扑的附加成分（在面对弱变形或干扰时保持不变的属性）在进行计算时为量子比特提供了额外的保护。该计算方案基于分数量子霍尔效应和超导体的组合。过去几乎不可能实现：一个人需要一个强大的磁场来获得分数电荷，而同样的磁场通常会杀死超导体。在这种情况下，分数电荷将用作量子比特（量子计算机的基本单位）。

制作步骤

同月，Ju和他的团队碰巧也观察到石墨烯中异常分数电荷的迹象 – 这种材料没有预测表现出这种效应。

Ju的团队一直在探索石墨烯中的电子行为，石墨烯本身就表现出了特殊的特性。最近，Ju的团队研究了五层石墨烯 – 一种由五片石墨烯组成的结构，每片石墨烯都略微堆叠在一起，就像楼梯上的台阶一样。这种五层石墨烯结构嵌入石墨中，可以通过使用透明胶带剥离而获得。当在超低温度下放入冰箱时，该结构的电子会减慢速度，并以它们在较高温度下嗖嗖作响时通常不会发生的方式相互作用。

在他们的新工作中，研究人员进行了一些计算，发现如果五层结构与六方氮化硼（hBN）对齐，电子之间的相互作用可能会更强烈，六方氮化硼（hBN）是一种与石墨烯具有相似原子结构的材料，但尺寸略有不同。结合起来，这两种材料应该会产生摩尔纹超晶格——一种复杂的、类似支架的原子结构，可以以模仿磁场的方式减慢电子的速度。

“我们做了这些计算，然后想，让我们去做吧，”Ju说，他去年夏天碰巧在麻省理工学院的实验室里安装了一个新的稀释冰箱，该团队计划用它来将材料冷却到超低温，以研究奇异的电子行为。

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构型中的五层薄片，从而制造了两个混合石墨烯结构的样品。然后，他们将石墨烯薄片压印在hBN薄片上，并在石墨烯结构上放置第二个hBN薄片。最后，他们将电极连接到结构上，并将其放入冰箱中，设置为接近绝对零度。

当他们向材料施加电流并测量电压输出时，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数和一些基本物理常数。

“我们看到它的那天，我们一开始并没有认出它，”第一作者卢说。“然后我们开始大喊大叫，因为我们意识到，这真的很大。那是一个完全令人惊讶的时刻。

“这可能是我们放入新冰箱的第一个严肃样品，”共同第一作者Han补充道。“一旦我们冷静下来，我们就会仔细观察，以确保我们所看到的是真实的。

通过进一步的分析，研究小组证实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观察到这种效应。

“石墨烯也可以是超导体，”Ju说。“所以，你可以在同一种材料中产生两种完全不同的效果，彼此相邻。如果你使用石墨烯与石墨烯对话，它可以避免在将石墨烯与其他材料桥接时产生很多不良影响。

目前，该小组正在继续探索多层石墨烯用于其他稀有电子态。

“我们正在深入研究许多基础物理学的想法和应用，”他说。“我们知道未来还会有更多。”

这项研究得到了斯隆基金会和美国国家科学基金会的部分支持。