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3/2偶數(shù)分母量子霍爾平臺的實(shí)驗(yàn)觀測

從理論物理學(xué)家安德森“more is different”的觀點(diǎn)提出以來，人們越來越多地意識到多體系統(tǒng)中可以出現(xiàn)豐富的、與單個粒子性質(zhì)不同的新物理規(guī)律。在二維自由電子系統(tǒng)中，大量相互作用的二維電子構(gòu)成一個強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系。在特定條件下，系統(tǒng)哈密頓算符中的電子間長程庫倫相互作用主導(dǎo)了系統(tǒng)的物理性質(zhì)。這是一個無參數(shù)的理論問題，也是一個無法微擾處理的問題。多體問題的復(fù)雜和有趣在這里體現(xiàn)得淋漓盡致：攜帶單位電荷的一群電子可以產(chǎn)生攜帶小于單位電荷的準(zhǔn)粒子。極低溫強(qiáng)磁場中的超高遷移率二維電子氣可以出現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。奇數(shù)分母的分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)有唯一的基態(tài)：復(fù)合費(fèi)米子的整數(shù)量子霍爾效應(yīng)或復(fù)合玻色子的玻色愛因斯坦凝聚。單層二維電子氣中填充因子為5/2的分?jǐn)?shù)態(tài)是罕有的偶數(shù)分母態(tài)的例子，它可能對應(yīng)了p波配對的復(fù)合費(fèi)米子，擁有拓?fù)浔Ｗo(hù)的多簡并基態(tài)波函數(shù)，其準(zhǔn)粒子可能服從非阿貝爾統(tǒng)計(jì)。5/2態(tài)是第一個被認(rèn)為可以用于拓?fù)淞孔佑?jì)算的實(shí)驗(yàn)體系。3/2填充因子處，原有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論框架支持復(fù)合費(fèi)米子海的解釋，即不存在3/2分?jǐn)?shù)態(tài)，也不應(yīng)該存在分?jǐn)?shù)量子霍爾平臺。圖：不同門電壓條件下的磁場依賴關(guān)系，隨著門電壓改變局域條件，5/3的量子霍爾平臺逐漸演變?yōu)榱钊艘馔獾?/2平臺。[Nature Communications 10, 4351 (2019)] 量子材料科學(xué)中心于2016年觀測到了3/2偶數(shù)分母分?jǐn)?shù)量子霍爾平臺，該工作于2017年10月投稿，2019年9月26日在線發(fā)表于《自然.通訊》（https://doi.org/10.1038/s41467-019-12245-y）。林熙課題組的付海龍（2017年畢業(yè)，現(xiàn)為Penn State University校級榮譽(yù)Eberly Research Fellow）為此現(xiàn)象的觀測者，二維電子氣樣品由普林斯頓大學(xué)L. N. Pfeiffer提供。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，3/2平臺的量子化程度高達(dá)0.02%，只在二維電子氣被局域的特定條件下出現(xiàn)，這意味著帶合適邊界條件的多體體系可能有與無邊界條件時不一樣的量子態(tài)存在。當(dāng)局域結(jié)構(gòu)中形成3/2平臺時，局域結(jié)構(gòu)外是5/3分?jǐn)?shù)態(tài)，所以1/6量子電導(dǎo)被反射了。1/6的量子電導(dǎo)不屬于通常理論框架下的任何邊界態(tài)，所以它的出現(xiàn)可能預(yù)示著新的邊界態(tài)以及新的準(zhǔn)粒子的出現(xiàn)。量子中心的謝心澄老師和他的學(xué)生吳宜家對此給出理論分析，提出隧穿強(qiáng)度的變化在局域結(jié)構(gòu)附近引起拓?fù)湎嘧儯瑥亩鴮?dǎo)致分?jǐn)?shù)電荷的再次量子化。5/3分?jǐn)?shù)態(tài)的準(zhǔn)粒子攜帶的電荷是e/3，1/6電導(dǎo)的出現(xiàn)可能是5/3態(tài)的準(zhǔn)粒子繼續(xù)1/2量子化的結(jié)果，所以理論預(yù)言了一個攜帶e/6分?jǐn)?shù)電荷的新激發(fā)。

北京大學(xué) 2021-04-11

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