MIT 的物理學家邁出了處罰電子為何會分裂成自成分數這一謎題的蹙迫一步。他們的參議揭示了偏激他二維系統中產生奇異電子態的條目體育游戲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現的愜心，該團隊由助理西賓 Long Ju 指引。Ju 的團隊發現，在五層石墨烯（一種由五層石墨烯肖似在類似結構的氮化硼薄片上的設置）中，電子似乎發揚出“分數電荷”。

Ju 的參議發現，當他將電暢通過這一五層結構時，即使莫得磁場，電子也會以其總電荷的分數通過。科學家們此前照舊解說，在強磁場下電子會發生疏裂，釀成所謂的分數目子霍爾效應。但是，Ju 的責任初度發現這種愜心不錯在莫得磁場的石墨烯中發生——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電荷如安在五層石墨烯中出現。

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構，其性質相等恰當分數電子的出現。

“這是一種全新的機制，也等于說，在幾十年的參議歷史中，從未有系統好像展示出這種分數電子愜心，”Todadri 說。“這令東說念主高興，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。”

該團隊的參議收尾已于近期發表在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——在歸并期刊中發表了類似收尾。MIT 團隊成員包括博士畢業生 Zhihuan Dong（2024 年）和前博士后 Adarsh Patri。

“分數愜心”

2018 年，MIT 物理學西賓 Pablo Jarillo-Herrero 偏激共事初度不雅察到，通過堆疊和扭轉兩層石墨烯不錯產生新的電子算作。每層石墨烯薄如原子，由六邊形碳原子組成的雞網狀晶格組成。通過以特定角度堆疊兩層石墨烯，他發現由此產生的干與圖案（或莫爾條紋）會激發出東說念主料念念的愜心，舉例在歸并種材料中同期發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——“扭轉電子學”，即參議扭轉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在尋找好像產生疏數電子相的條目方面是理念念的平臺，”與 Jarillo-Herrero 在同庚協作參議的 Todadri 說說念。他們的參議從表面上解說，這類污蔑系統不錯在莫得磁場的情況下發揚出分數電荷。“咱們那時就提倡這些系統是參議分數愜心的最好聘請。”他說說念。

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數據，”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展。”

在 2018 年的論文中，Todadri 揣度，分數電荷應該從一種特定電子波函數污蔑特質的先行者相中產生。廣義上來說，他合計電子的量子特質應該具有某種污蔑性，或者不錯在不改動其內在結構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的加多而增強。

“關于五層石墨烯，咱們合計波函數會繞 5 次，這會是電子分數的前兆，”Todadri 說說念。“但他的推行發現波函數照實繞了圈，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愜心若何通過非預期旅途出現。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時，頻繁的戰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。“但從 Long 的推行中，咱們知說念這一近似圭臬勢必是不正確的。”

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，在二維結構如五層石墨烯中，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，發現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電荷產生的機制。

他們發現，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相互作用。這種電子之間的“拉鋸戰”釀成了一種可能的物理態云，每個電子云與晶體中的其他電子云相互作用，產生了一種量子關聯的波函數形狀，從而釀成了電子分數愜心的基礎。

“這種晶體具有一整套不同于泛泛晶體的罕見性質，并為疇昔參議提倡了很多山外有山的問題，”Todadri 說說念。“從短期來看，這一機制為意會五層石墨烯中電子分數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的其他系統奠定了基礎。”

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