一个改变量子理论的奇怪物理发现

诸平

MIT’s recent study elucidates the fractional charge phenomena in pentalayer graphene through enhanced theoretical models highlighting electron interactions and quantum properties. Credit: SciTechDaily.com

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT）2024年12月12日提供的消息，一个改变量子理论的奇怪物理发现（A Physics Discovery So Strange It’s Changing Quantum Theory）。

麻省理工学院的物理学家惊讶地发现，五层石墨烯中的电子可以表现出分数电荷(MIT physicists surprised to discover electrons in pentalayer graphene can exhibit fractional charge)。

麻省理工学院物理学家的新理论研究解释了它是如何工作的，表明电子在受限的二维空间中的相互作用会导致新的量子态，独立于磁场。

石墨烯的突破性发现(Groundbreaking Discovery in Graphene)

麻省理工学院的物理学家在理解电子如何分裂成分数电荷（“fractional charges”）方面取得了重大进展。他们的发现揭示了在石墨烯和其他二维材料中产生奇异电子态（exotic electronic states）的条件。

这项新研究建立在由助理教授鞠龙（Long Ju音译）领导的另一个麻省理工学院团队最近的发现（recent discovery）之上。鞠龙的研究小组观察到，电子似乎在五层石墨烯中携带分数电荷。五层石墨烯是由放置在相似的氮化硼薄片上的五层堆叠石墨烯层组成的结构。

揭示分数电荷（Unveiling Fractional Charges）

鞠龙发现，当他将电流通过五层结构时，即使在没有磁场的情况下，电子似乎也会以总电荷的一部分通过。科学家们已经证明，电子可以在非常强的磁场下分裂成分数，这就是所谓的分数量子霍尔效应（fractional quantum Hall effect）。鞠龙的工作是第一个发现这种效应在没有磁场的石墨烯中是可能的，直到最近才预计会出现这种效应。

这种现象被称为分数量子反常霍尔效应（“fractional quantum anomalous Hall effect”），理论家一直热衷于寻找分数电荷如何从五层石墨烯中产生的解释。

理论进展与合作（Theoretical Advances and Collaboration）

由麻省理工学院物理学教授Senthil Todadri领导的这项新研究提供了答案的关键部分。通过量子力学相互作用的计算，他和他的同事们表明，电子形成了一种晶体结构，这种结构的性质对于电子分数（fractions of electrons）的出现是理想的。

Senthil Todadri说：“这是一种全新的机制，这意味着在几十年的历史中，人们从未有过一个系统来研究这种分数电子现象（fractional electron phenomena）。这真的很令人兴奋，因为它使以前只能梦想的各种新实验成为可能。”

该研究结果2024年11月12日已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）网站发表——Zhihuan Dong, Adarsh S. Patri, Todadri Senthil. Theory of Quantum Anomalous Hall Phases in Pentalayer Rhombohedral Graphene Moiré Structures. Physical Review Letters, 2024, 133: 206502. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.206502. Published: 12 November 2024. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.206502

另外还有两个研究小组，一个来自美国约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University），另一个来自美国哈佛大学（Harvard University）、加州大学伯克利分校（University of California at Berkeley）和劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory），都在同一期杂志上发表了类似的研究结果。

分数现象（“Fractional Phenomena”）

2018年，麻省理工学院物理学教授巴勃罗·哈里略-赫雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）和他的同事首次观察到（were the first to observe），堆叠和扭曲两层石墨烯可以产生新的电子行为。石墨烯的每一层都和单个原子一样薄，由六方碳原子组成的网状格构成。通过以特定的角度堆叠两片薄片，他发现由此产生的干涉，或莫尔条纹（moiré pattern），会在同一材料中产生意想不到的现象，如超导和绝缘特性。这种魔角石墨烯（“magic-angle graphene”），因为它很快被创造出来，点燃了一个被称为扭曲电子学（twistronics）的新领域，研究扭曲的二维材料中的电子行为。

“在他的实验之后不久，我们意识到这些莫尔系统（moiré systems）通常是理想的平台，可以找到使这些分数电子现象出现的各种条件，”Senthil Todadri说，他在同一年与巴勃罗·哈里略-赫雷罗合作的一项研究表明，理论上，这种扭曲的系统可以在没有磁场的情况下表现出分数电荷。他说：“我们主张这些系统是寻找这类分数电子现象的最佳系统。”

惊人的实验结果（Surprising Experimental Results）

然后，在2023年9月，Senthil Todadri与熟悉他理论工作的鞠龙通过Zoom进行了电话联系，鞠龙不仅熟悉Senthil Todadri的理论工作，并通过自己的实验工作与Senthil Todadri保持联系。Senthil Todadri回忆说：“他在一个周六给我打电话，向我展示了他在五层石墨烯中看到的这些（电子）分数的数据。这是一个很大的惊喜，因为它并没有像我们想象的那样发展，完全出乎预料。”

在他2018年的论文中，Senthil Todadri预测，分数电荷应该从以电子波函数的特定扭曲为特征的前体相中出现。从广义上讲，他的理论是电子的量子特性应该具有一定的扭曲度，即在不改变其固有结构的情况下可以被操纵的程度。他预测，这种缠绕（winding）会随着给定的莫尔结构（moiré structure）中石墨烯层的增加而增加。

Senthil Todadri说：“对于五层石墨烯，我们认为波函数会绕五次，这将是电子分数的前兆。但他做了实验，发现它确实绕了一圈，但只有一次。这就提出了一个大问题：我们应该如何看待我们所看到的结果？”

重新思考电子相互作用（Rethinking Electron Interactions）

在他们的新研究中，Senthil Todadri和他的团队在最初的预测失败后，重新审视了五层石墨烯中电子分数是如何形成的。在回顾他们最初的假设后，他们发现他们可能忽略了一个关键因素。

Senthil Todadri解释说：“在确定任何电子系统中发生的事情时，该领域的标准策略是将电子视为独立的参与者，并从中找出它们的拓扑结构（topology）或缠绕（winding）。但是从鞠龙的实验中，我们知道这个近似肯定是不正确的。”

虽然在大多数材料中，电子有足够的空间相互排斥，并作为独立的主体四处游动，但粒子更多地局限在二维结构中，如五层石墨烯。在如此狭小的空间里，研究小组意识到电子也应该被迫相互作用，除了它们的自然排斥力外，它们的行为还应该取决于它们的量子相关性。当物理学家在他们的理论中加入电子间相互作用时，他们发现它正确地预测了鞠龙观察到的五层石墨烯的缠绕。

一旦他们有了一个与观测相匹配的理论预测，研究小组就可以从这个预测中找出五层石墨烯产生分数电荷的机制。

他们发现五层石墨烯的莫尔排列（moiré arrangement），其中每个晶格状的碳原子层排列在另一个碳原子层上，并排列在氮化硼的顶部，诱导会产生微弱的电位。当电子通过这个电位时，它们会形成一种晶体，或者周期性的形成，这种晶体限制了电子，并迫使它们通过量子相关性相互作用。这种电子拉锯战为每个电子创造了一种可能的物理状态云，它以波函数或量子相关模式与晶体中的其他电子云相互作用，这就产生了缠绕，为电子分裂成自己的一小部分奠定了基础。

Senthil Todadri说：“这种晶体具有一整套不同于普通晶体的不寻常特性，并为未来的研究带来了许多有趣的问题。从短期来看，该机制为理解五层石墨烯中电子分数的观察以及预测具有类似物理性质的其它系统提供了理论基础。”

这项工作得到了美国国家科学基金会（National Science Foundation）和西蒙斯基金会（Simons Foundation）的部分支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Remarkable recent experiments on the moiré structure formed by pentalayer rhombohedral graphene aligned with a hexagonal boron nitride substrate report the discovery of a zero field fractional quantum Hall effect. These “(fractional) quantum anomalous Hall” [(F)QAH] phases occur for one sign of a perpendicular displacement field, and correspond, experimentally, to full or partial filling of a valley polarized Chern-1 band. Such a band is absent in the noninteracting band structure. Here we show that electron-electron interactions play a crucial role, and present microscopic theoretical calculations demonstrating the emergence of a nearly flat, isolated, Chern-1 band and FQAH phases in this system. We also study the four- and six-layer analogs and identify parameters where a nearly flat isolated Chern-1 band emerges which may be suitable to host FQAH physics.