麻省理工发现了一种全新的物质形态——任意子超导,如果得到全面验证,这将可能是通往容错量子计算的“圣杯”,为量子物理教科书增加新的章节。
2025年12月19日,麻省理工学院(MIT)物理学家团队刚刚在著名的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表了一项颠覆性成果。由物理学教授 Senthil Todadri 和博士生 Zhengyan Darius Shi 领导的研究,终于解开了困扰物理学界一整年的谜题:为什么在转角二碲化钼(tMoTe₂)这种材料里,超导和磁性这两个“死对头”竟然能同床共枕?
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在凝聚态物理的传统认知里,超导和磁性是绝对的“世仇”。
超导体喜欢“成双成对”,电子必须两两结成“库珀对”才能无阻力流动;而磁性喜欢“唯我独尊”,强大的磁场会强行扭转电子自旋,把库珀对硬生生拆散。所以在过去几十年里,物理学家的常识是:只要有磁性,超导就得死。
但在2024到2025年间,剧情反转了。两个独立的实验团队先后在菱方石墨烯和转角二碲化钼中,居然同时观测到了超导态和磁性的共存。
这就像是你把一块冰扔进滚烫的油锅里,冰块不仅没化,反而还更坚硬了。
整个物理学界都懵了:这不科学。除非,在这个舞台上流动的,根本就不是我们熟悉的那个“电子”。
MIT 理论团队揪出了幕后真凶:任意子(Anyons)。
在这个三维宇宙中,粒子通常只分两派:喜欢独处的费米子(如电子)和喜欢群居的玻色子(如光子)。但在二维的扁平世界里(比如单原子层厚的材料),量子规则变得“随心所欲”(Anything goes),于是诞生了第三种粒子——任意子。
MIT 的计算表明,当材料处于一种特殊的量子状态(分数量子反常霍尔效应,FQAH)时,电子会发生“精神分裂”。一个电子不再是一个整体,而是分裂成了带有分数电荷的碎片。
这就是破局的关键。
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研究团队发现,这种“碎片化”也是看运气的。在晶格填充数为ν=2/3的特殊节点上,系统面临两个选择:
- 向左走(少一点):如果你得到的碎片带1/3的电荷,它们会像一盘散沙,虽有量子效应,但最终会变成一种奇怪的绝缘体(重入整数量子霍尔态),电流根本通不过。
- 向右走(多一点):如果你得到的碎片带2/3的电荷,奇迹发生了。
这群带 2/3 电荷的任意子,虽然本性顽固、互相排斥(物理学上叫“阻挫”),但在特定浓度下,它们会突然“想通了”。它们打破了量子的枷锁,像库珀对一样配对,形成一种宏观的超流体。
即使在磁性环境中,这群任意子也能无视磁场的干扰,形成超导电流。
这解释了实验中那个令人费解的不对称现象:为什么在填充数 2/3 的一侧是超导,另一侧却是绝缘体?因为粒子和空穴的命运,从一开始就被写进了不同的剧本里。
为了让这个理论更加无懈可击,MIT 团队还预言了一个极具悬念的中间状态。
在系统彻底变成超导体之前,它会先进入一种诡异的“反常涡旋玻璃”(Anomalous Vortex Glass)状态。
也就是说,在没有外加磁场的情况下,超导体内部自发产生了无数微小的漩涡。这些漩涡有的顺时针转,有的逆时针转,总和为零,就像无数个微型飓风被冻结在玻璃里。
这不仅仅是理论推演,更是给实验物理学家留下的“藏宝图”。如果未来的实验能探测到这种违背直觉的“玻璃态”,那么 MIT 的理论将毫无争议地封神。
如果这种由任意子驱动的超导机制被完全掌控,我们要做的第一件事就是利用它来制造拓扑量子比特。这种量子比特将比现在的技术稳定得多,因为它本身就受到拓扑性质的保护,不会轻易因为外界干扰而出错。
曾经,把电子切碎是天方夜谭;曾经,磁性与超导共存是离经叛道。
而现在,在这个二维的量子舞台上,1除以3不等于0.333...,它等于一个新的宇宙。
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参考文献:
- Shi, Z. D., & Senthil, T. (2025). Anyon delocalization transitions out of a disordered fractional quantum anomalous Hall insulator.Proceedings of the National Academy of Sciences
- Shi, Z. D., & Senthil, T. (2025).arXiv preprint arXiv:2506.02128
- MIT News Office. (2025). Anything-goes 'anyons' may be at the root of surprising quantum experiments.
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