MIT 的物理學家邁出了處罰電子為何會分裂成自成分數(shù)這一謎題的蹙迫一步。他們的參議揭示了偏激他二維系統(tǒng)中產(chǎn)生奇異電子態(tài)的條目體育游戲app平臺。

這一新參議旨在解釋由另一組 MIT 物理學家團隊本年早些技術發(fā)現(xiàn)的愜心，該團隊由助理西賓 Long Ju 指引。Ju 的團隊發(fā)現(xiàn)，在五層石墨烯（一種由五層石墨烯肖似在類似結(jié)構(gòu)的氮化硼薄片上的設置）中，電子似乎發(fā)揚出“分數(shù)電荷”。

Ju 的參議發(fā)現(xiàn)，當他將電暢通過這一五層結(jié)構(gòu)時，即使莫得磁場，電子也會以其總電荷的分數(shù)通過。科學家們此前照舊解說，在強磁場下電子會發(fā)生疏裂，釀成所謂的分數(shù)目子霍爾效應。但是，Ju 的責任初度發(fā)現(xiàn)這種愜心不錯在莫得磁場的石墨烯中發(fā)生——這是直到最近王人未被預期的愜心。

這一愜心被定名為“分數(shù)目子極端霍爾效應”（fractional quantum anomalous Hall effect），表面物理學家們一直試圖解釋分數(shù)電荷如安在五層石墨烯中出現(xiàn)。

MIT 物理學西賓 Senthil Todadri 指引的新參議為這一問題提供了關鍵謎底。通過對量子力學相互作用的打算，他和他的共事標明，電子會釀成一種晶體結(jié)構(gòu)，其性質(zhì)相等恰當分數(shù)電子的出現(xiàn)。

“這是一種全新的機制，也等于說，在幾十年的參議歷史中，從未有系統(tǒng)好像展示出這種分數(shù)電子愜心，”Todadri 說?！斑@令東說念主高興，因為它為往時只可念念象的各式新推行掀開了可能性的大門?！?/p>

該團隊的參議收尾已于近期發(fā)表在Physical Review Letters期刊上。此外，還有兩個參議團隊——離別來自約翰斯·霍普金斯大學，以及哈佛大學、加州大學伯克利分校和勞倫斯伯克利國度推行室——在歸并期刊中發(fā)表了類似收尾。MIT 團隊成員包括博士畢業(yè)生 Zhihuan Dong（2024 年）和前博士后 Adarsh Patri。

“分數(shù)愜心”

2018 年，MIT 物理學西賓 Pablo Jarillo-Herrero 偏激共事初度不雅察到，通過堆疊和扭轉(zhuǎn)兩層石墨烯不錯產(chǎn)生新的電子算作。每層石墨烯薄如原子，由六邊形碳原子組成的雞網(wǎng)狀晶格組成。通過以特定角度堆疊兩層石墨烯，他發(fā)現(xiàn)由此產(chǎn)生的干與圖案（或莫爾條紋）會激發(fā)出東說念主料念念的愜心，舉例在歸并種材料中同期發(fā)揚出超導性和絕緣性。這一愜心被稱為“魔角石墨烯”，并馬上催生了一個新范疇——“扭轉(zhuǎn)電子學”，即參議扭轉(zhuǎn)二維材料中的電子算作。

“在他完成推行后不久，咱們意志到這些莫爾系統(tǒng)在尋找好像產(chǎn)生疏數(shù)電子相的條目方面是理念念的平臺，”與 Jarillo-Herrero 在同庚協(xié)作參議的 Todadri 說說念。他們的參議從表面上解說，這類污蔑系統(tǒng)不錯在莫得磁場的情況下發(fā)揚出分數(shù)電荷。“咱們那時就提倡這些系統(tǒng)是參議分數(shù)愜心的最好聘請?！彼f說念。

2023 年 9 月，Todadri 通過 Zoom 接到 Ju 的電話。Ju 熟識 Todadri 的表面參議，并在我方的推行進程中與他保合手關系。

“他周六打電話給我，向我展示他在五層石墨烯中不雅察到的電子分數(shù)數(shù)據(jù)，”Todadri 回憶說念。“這讓我相等駭怪，因為這并未按照咱們預期的形勢發(fā)展?！?/p>

在 2018 年的論文中，Todadri 揣度，分數(shù)電荷應該從一種特定電子波函數(shù)污蔑特質(zhì)的先行者相中產(chǎn)生。廣義上來說，他合計電子的量子特質(zhì)應該具有某種污蔑性，或者不錯在不改動其內(nèi)在結(jié)構(gòu)的情況下被操控的進度。他揣度，這種污蔑性跟著石墨烯層數(shù)的加多而增強。

“關于五層石墨烯，咱們合計波函數(shù)會繞 5 次，這會是電子分數(shù)的前兆，”Todadri 說說念?！暗耐菩邪l(fā)現(xiàn)波函數(shù)照實繞了圈，但只繞了一次。這就提倡了一個蹙迫問題：咱們應該若何意會所不雅察到的愜心？”

不凡的晶體

在新的參議中，Todadri 從頭參議五層石墨烯中的電子分數(shù)愜心若何通過非預期旅途出現(xiàn)。物理學家從頭疑望原有假定，并意志到他們可能遺漏了關鍵因素。

“在參議任何電子系統(tǒng)時，頻繁的戰(zhàn)術是將電子視為零丁的算作者，然后分析它們的拓撲或污蔑，”Todadri 解釋說念?！暗珡?Long 的推行中，咱們知說念這一近似圭臬勢必是不正確的?！?/p>

在大多量材料中，電子有充足的空間相互拔除并零丁瓦解。但是，在二維結(jié)構(gòu)如五層石墨烯中，電子行徑空間受到極大截止。團隊意志到，電子在這種情況下必須通過量子關聯(lián)以及當然拔除來相互作用。當物理學家將電子間相互作用加入表面后，發(fā)現(xiàn)這一表面準確揣度了 Ju 不雅察到的五層石墨烯中的波函數(shù)污蔑。

當表面揣度與推行不雅測一致后，參議團隊以此為基礎，找出了五層石墨烯等分數(shù)電荷產(chǎn)生的機制。

他們發(fā)現(xiàn)，五層石墨烯的莫爾枚舉（每層碳原子晶格枚舉在另一層和氮化硼上）激發(fā)了一個眇小的電勢。當電子穿過這一電勢時，它們釀成了一種晶體，即周期性的枚舉，這種晶體截止了電子的瓦解，并迫使它們通過量子關聯(lián)相互作用。這種電子之間的“拉鋸戰(zhàn)”釀成了一種可能的物理態(tài)云，每個電子云與晶體中的其他電子云相互作用，產(chǎn)生了一種量子關聯(lián)的波函數(shù)形狀，從而釀成了電子分數(shù)愜心的基礎。

“這種晶體具有一整套不同于泛泛晶體的罕見性質(zhì)，并為疇昔參議提倡了很多山外有山的問題，”Todadri 說說念?！皬亩唐趤砜?，這一機制為意會五層石墨烯中電子分數(shù)愜心的不雅察收尾提供了表面基礎，并為揣度具有類似物理特質(zhì)的其他系統(tǒng)奠定了基礎?！?/p>

這項參議部分由好意思國國度科學基金會和 Simons 基金會資助。

https://news.mit.edu/2024/how-can-electrons-can-split-into-fractions-1118