研究人员在分数量子霍尔效应研究中发现了新的现象

想象一下，在一个二维的平地上，而不是我们的三维世界里，物理规则被颠覆，电子等粒子打破了人们的预期，揭示了新的秘密。这正是包括佐治亚州立大学物理学教授拉梅什-G.Kushan Wijewardena 在佐治亚州立大学实验室进行的研究。

在佐治亚州立大学，对分数量子霍尔效应的突破性研究发现了新的物质状态。这项创新性工作得到了极端实验条件的支持，为未来的量子计算技术铺平了道路。

他们的研究成果最近发表在《通信物理学》（Communications Physics）杂志上。该研究小组深入研究了分数量子霍尔效应（FQHE）的神秘世界，当以新的方式探测这些系统并将其推向常规边界之外时，他们发现了意想不到的新现象。

马尼说："几十年来，分数量子霍尔效应研究一直是现代凝聚态物理学的一大重点，因为平地上的粒子可以有多重性格，并且可以根据需要表现出与上下文相关的性格。我们的最新发现推动了这一领域的发展，为这些复杂系统提供了新的见解"。

自 1980 年克劳斯-冯-克里琴（Klaus von Klitzing）报告了他的发现以来，量子霍尔效应一直是凝聚态物理学中一个充满活力和举足轻重的领域。这一发现为他赢得了1985 年的诺贝尔奖。

1998 年，诺贝尔奖授予了发现和理解分数量子霍尔效应的人，该效应表明平地粒子可能具有分数电荷。随着石墨烯材料的发现，平地无质量电子的可能性得以展现，石墨烯之旅得以继续，并于 2010 年再次获得诺贝尔奖。

最后，与量子霍尔效应有关的物质新相理论在2016 年获得了诺贝尔奖。

凝聚态物理学的发现使手机、计算机、全球定位系统、LED 照明、太阳能电池甚至自动驾驶汽车等现代电子产品成为可能。目前，凝聚态物理学正在研究平地科学和平地材料，旨在实现更节能、更灵活、更快速、更轻便的未来电子产品，包括新型传感器、更高效的太阳能电池、量子计算机和拓扑量子计算机。

在接近零下 459 华氏度（零下 273 摄氏度）的极冷条件下，在比地球磁场强近 10 万倍的磁场中，马尼、维杰瓦德纳及其同事进行了一系列实验。他们给由砷化镓（GaAs）和砷化镓铝（AlGaAs）材料三明治结构制成的高迁移率半导体器件施加了补充电流，这有助于在平地上实现电子。他们观察到所有的FQHE态意外分裂，随后分裂分支交叉，这使他们能够探索这些量子系统的新非平衡态，并揭示出全新的物质状态。这项研究强调了由 Werner Wegscheider 教授和 Christian Reichl 博士在瑞士苏黎世联邦理工学院制作的高质量晶体在这项研究的成功中所起的关键作用。

马尼说："把对分数量子霍尔效应的传统研究看作是对大楼底层的探索。我们的研究就是要寻找和发现高层--那些令人兴奋的、未被探索过的楼层--并找出它们的模样。令人惊讶的是，通过一种简单的技术，我们就能进入这些高层，发现激发态的复杂特征。"

去年从佐治亚州立大学获得物理学博士学位、现任米利奇维尔佐治亚学院和州立大学教员的维杰瓦德纳对他们的工作表示兴奋。

"我们研究这些现象已经很多年了，但这是我们第一次报告这些通过施加直流偏压诱导分数量子霍尔态实现激发态的实验发现，"维杰瓦德纳说。"这些结果令人着迷，我们花了相当长的时间才对我们的观测结果有了一个可行的解释。"

在美国国家科学基金会和陆军研究办公室的支持下，这项研究不仅对现有理论提出了挑战，还提出了观测到的非平衡激发态 FQHEs 的混合起源。这一创新方法和意想不到的结果彰显了凝聚态物理领域新发现的潜力，激励着未来的研究和技术进步。

该团队研究成果的影响远远超出了实验室的范围，暗示着对量子计算和材料科学的潜在见解。通过探索这些未知领域，这些研究人员正在为未来的技术奠定基础，并培养新一代的学生，这些技术将彻底改变从数据处理到能源效率的一切，同时为高科技经济提供动力。

Mani、Wijewardena 和他们的团队目前正在将研究扩展到更极端的条件下，探索测量具有挑战性的平地参数的新方法。随着研究的深入，他们预计将发现这些量子系统中更多的细微差别，为该领域贡献宝贵的见解。每进行一次实验，研究小组都会更进一步了解正在发生作用的复杂行为，并对沿途可能出现的新发现持开放态度。

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1038/s42005-024-01759-7