吉林
电子是否“可分”？单个电子在粒子物理实验中从未被发现具有内部结构，一直被视为基本粒子。在极端量子条件下，这一常识正在被赋予新的内涵。南京大学物理学院杜灵杰教授团队与合作者首次在实验中证实，当大量电子在半导体中处于极低温、强磁场下，形成强关联的量子集体时，电子可以表现为多个部分子。好比一个人融入交响乐团，我们听到的不再是他本人的独奏，而是他同时奏出的几个声部——电子并没有被物理“切碎”，但在量子集体中，它表现为几个独立行动的“分身”。这一成果6月22日发表于《自然·物理》，不仅拓展了人类对量子物质的认知边界，也意味着在半导体系统中对电子的利用有望从控制电荷、利用自旋，迈入驾驭其内部“分身”结构的阶段，为拓扑量子计算带来新的可能。
“部分子”概念最早由诺贝尔奖得主费曼在20世纪60年代提出，用于解释质子内部结构。后来，理论物理学家将其引入凝聚态物理，提出在强关联电子系统中，电子也可以“涌现”出若干携带分数电荷的准粒子，即“部分子”。一群电子作为集体存在的时候可以出现原本单个电子不存在的性质，这被称为“涌现”。但在此后几十年里，部分子主要作为数学工具存在，一直缺乏实验观测证据。
为了捕捉部分子的踪迹，杜灵杰团队在砷化镓半导体量子阱中利用共振非弹性偏振光散射技术，用光子轰击处于分数量子霍尔态的电子系统，测量散射光子的信号。在同一个分数量子霍尔态中，团队观测到两种不同的引力子模信号，一种低能，一种高能，能量相差高达三倍，且具有相反的自旋。杜灵杰解释，只是电子的几何振荡无法产生两种不同的引力子模，就如一个铃铛摇不出高低两个音，这意味着存在两种不同的部分子。
为了锁定证据，团队进一步调控外部条件。当两种部分子感受到的有效磁场相反时，观测到的两种引力子模自旋也相反；当磁场调整为相同时，自旋也变为相同。团队还通过调控使其中一种部分子变为电中性，实验观测到对应的引力子模信号消失，而另一种信号依然存在——就像让交响乐团中的一个声部安静下来，对应的声音就消失了。杜灵杰说，这些证据表明，两种引力子模信号来自不同的部分子，从而证实了部分子是涌现的准粒子，即关联电子“可分”为若干带分数电荷的部分子。
回顾人类信息技术的发展史，每一次飞跃都源于对电子更深层的认识。“信息1.0时代”，人们控制电荷，催生了集成电路和计算机；“信息2.0时代”，人们利用自旋，量子计算由此开启。如今，这项实验首次在半导体中打开了关联电子内部“分身”结构的大门——从控制电荷到利用自旋，再到操控部分子，物理学基础研究每一次突破，都在拓宽我们对世界的认知，也为下一次科技革命积蓄力量。
(来源:人民日报客户端)
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