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科学探索

观察到六通量复合费米子

科学探索万象经验2024-04-10

为了理解量子材料的奇异特性,物理学家们探索了涌现粒子的概念。这些准粒子产生于材料内基本粒子之间的复杂相互作用,表现出不同于单个成分的特性。复合费米子理论在这方面发挥了重要作用,它提供了一个框架,通过这些涌现实体的形成来理解多体之间的相关性。

复合费米子的概念源于分数量子霍尔效应(FQHE),研究人员观察到,在低温和强磁场下,二维系统中的电子形成了新的准粒子。这些准粒子,被称为复合费米子,表现得好像它们携带着电子电荷的一部分,并且与偶数个磁通量子绑定在一起。

复合费米子最初由Jainendra K. Jain在1989年提出,用以解释FQHE。该理论表明,每个电子捕获偶数个磁通量子,转变成复合费米子。这些复合费米子随后填充整数个朗道能级,类似于整数量子霍尔效应中的电子,从而解释了霍尔电阻中观察到的分数台阶。

虽然两通量和四通量复合费米子已经得到了广泛的研究和实验验证。然而,六通量复合费米子的图像仍然不完整。尽管一些理论预测暗示了它们的存在,但缺乏实验数据来证实它们的形成,而且它们的拓扑保护问题——FQHE状态的一个关键标志——仍然没有答案。

最近,发表在《自然通讯》上的一项研究揭示了这一主题,为这些复杂实体的形成和拓扑保护提供了令人信服的证据。通过仔细研究特定填充因子ν =9/11下的分数量子霍尔效应,他们令人信服地将这一特征与六通量复合费米子的出现联系起来。填充因子是指在一个朗道层中被占用的状态与可用状态总数的比值。

研究人员观察到ν = 9/11下一个量子化和间隙状态,这意味着一个定义良好的FQHE状态。这种特殊的间隙状态,在基态和激发态之间具有可测量的能量差,是拓扑保护的关键特征。重要的是,在ν=9/11处观测到的性质不能用具有较低通量的传统复合费米子来解释。

作者将观测到的FQHE态归因于六通量复合费米子的形成。这种归因是基于一个理论框架,该框架在考虑六通量复合费米子时,成功地预测了ν = 9/11处的间隙态。观察到的间隙直接转化为拓扑保护,意味着对通常破坏普通量子态的外部扰动的鲁棒性。这一发现标志着复合费米子理论的重大进展,巩固了六通量复合费米子的存在性和拓扑特性。
(www.Ws46.com)

这一发现在几个方面对我们理解量子物质具有重要意义。拓扑保护状态对噪声和缺陷具有高度的弹性,使其成为构建鲁棒量子计算机和容错拓扑量子比特的理想候选者。六通量复合费米子的实现为探索这些应用的新平台开辟了道路。然而,要充分阐明六通量复合费米子态的性质,还需要进一步的研究。更深入地了解潜在的相关性和外部因素对系统的影响是至关重要的。