科學(xué)研究正在為未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的落地和應(yīng)用鋪平道路。

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奇異的量子微觀現(xiàn)象，就像讓世界上最大膽的精英運(yùn)動(dòng)員或自由的登山者徒手攀登陡峭的懸崖一樣很難實(shí)現(xiàn)，只有最極端的條件才能吸引它們出現(xiàn)。正如，粒子具有超導(dǎo)性或粒子攜帶一小部分電子電荷等奇異現(xiàn)象，通常僅出現(xiàn)在極低的溫度或極高的磁場(chǎng)中。

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但是，如何能讓這些粒子的微觀現(xiàn)象能在非極端條件下出現(xiàn)呢？現(xiàn)在科學(xué)家在室溫超導(dǎo)領(lǐng)域已經(jīng)取得大量成果，正探索在近零磁場(chǎng)下產(chǎn)生奇異帶電粒子的可能，這對(duì)新型量子計(jì)算機(jī)與超導(dǎo)量子新材料及未來(lái)應(yīng)用同樣重要。??

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近日，由哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院?(SEAS) 的物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)教授 Amir Yacoby ，與物理系物理學(xué)教授 Ashvin Vishwanath 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，和麻省理工學(xué)院Pablo Jarillo-Herrero教授團(tuán)隊(duì)合作，首次在扭曲的雙層石墨烯中觀察到了近零磁場(chǎng)下的奇異分?jǐn)?shù)量子態(tài)。

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該研究發(fā)表在《自然》雜志上。?

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分?jǐn)?shù)陳絕緣體與準(zhǔn)粒子

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“凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域的研究目標(biāo)之一是獲得近零磁場(chǎng)下的奇異粒子。盡管有理論預(yù)測(cè)，我們能夠在近零磁場(chǎng)下看到這些奇異的粒子，但直到現(xiàn)在還沒(méi)有人能觀察到它?！盰acoby教授說(shuō)。

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“分?jǐn)?shù)陳絕緣體（FCI）的特定奇異量子態(tài)”引起了研究人員們的注意。陳絕緣體是一種拓?fù)浣^緣體，具有中間不導(dǎo)電而表面和邊緣導(dǎo)電的特性。

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在分?jǐn)?shù)陳絕緣體中，電子相互作用會(huì)形成“準(zhǔn)粒子”。準(zhǔn)粒子是一種從大量其他粒子之間經(jīng)過(guò)復(fù)雜的相互作用后產(chǎn)生的粒子，例如，聲音可以被描述為“準(zhǔn)粒子”，因?yàn)樗窃诹Ｗ优c材料的復(fù)雜相互作用中產(chǎn)生的。

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與基本粒子一樣，準(zhǔn)粒子同樣具有明確定義的特性，如質(zhì)量和電荷。在分?jǐn)?shù)陳絕緣體中，材料中發(fā)生了極強(qiáng)的電子相互作用后，將迫使準(zhǔn)粒子攜帶一小部分的電子電荷。這些分?jǐn)?shù)粒子具有奇異的量子特性，可用于創(chuàng)建容錯(cuò)性較強(qiáng)的量子比特。

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在制造分?jǐn)?shù)陳絕緣體時(shí)，研究人員使用了兩片以“魔角”角度扭曲在一起的石墨烯。經(jīng)過(guò)扭曲操作后，石墨烯就會(huì)解鎖新特性。例如，麻省理工學(xué)院Jarillo-Herrero小組首次在扭曲的雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)性；哈佛Vishwanath小組發(fā)現(xiàn)了扭曲的雙層石墨烯中的陳能帶狀態(tài)，從而顯示出了其蘊(yùn)藏產(chǎn)生分?jǐn)?shù)量子態(tài)的巨大潛力。?

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貝里曲率效應(yīng)

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為了更好地理解，我們可以將這些陳能帶想象成裝滿(mǎn)電子的水桶。?

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Yacoby小組的研究生、該研究論文的共同第一作者Andrew T. Pierce說(shuō)道，“在此前的研究中，研究人員通常需要一個(gè)大磁場(chǎng)來(lái)‘生產(chǎn)’這些電子填充桶，從而構(gòu)建出獲得奇異分?jǐn)?shù)粒子所需的拓?fù)鋯卧，F(xiàn)在雙層石墨烯經(jīng)過(guò)魔角扭曲操作后，出現(xiàn)了在近零磁場(chǎng)下內(nèi)置這些拓?fù)鋯卧默F(xiàn)象。”

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接下來(lái)，研究人員通過(guò)利用陳能帶的一小部分能量來(lái)誘導(dǎo)分?jǐn)?shù)狀態(tài)。一個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)了：要使其發(fā)揮出作用，前提是桶中所有的電子都必須具有相同的特性，但在扭曲雙層石墨烯中發(fā)生了貝里曲率效應(yīng)，每個(gè)電子都會(huì)經(jīng)歷與其特定動(dòng)量相關(guān)的磁場(chǎng)，情況就變得復(fù)雜了。

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因此，對(duì)于研究人員來(lái)說(shuō)，當(dāng)產(chǎn)生陳能帶狀態(tài)時(shí)需要將中間電子的貝里曲率均勻化，才能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)陳絕緣體狀態(tài)。?

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外加一個(gè)小磁場(chǎng)

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這時(shí)，就需要外加一個(gè)小磁場(chǎng)。

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該論文的第一作者、SEAS 博士后研究員兼合作伙伴謝永龍解釋到，“實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)施加一個(gè)非常小的磁場(chǎng)，就可以使系統(tǒng)中電子之間的貝里曲率均勻分布，如此，我們也就能夠觀察到扭曲的雙層石墨烯中分?jǐn)?shù)陳絕緣體的奇異分?jǐn)?shù)量子態(tài)。這項(xiàng)研究表明了貝里曲率在實(shí)現(xiàn)奇異狀態(tài)分異方面的重要性，并指出在替代平臺(tái)中貝里曲率可能不會(huì)像扭曲雙層石墨烯那樣異類(lèi)、復(fù)雜?！?/p>

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“扭曲雙層石墨烯具有重要的研究?jī)r(jià)值，分?jǐn)?shù)陳絕緣體這一發(fā)現(xiàn)可以說(shuō)是該領(lǐng)域最重要的進(jìn)步之一。令人驚訝的是，這種神奇的材料與鉛筆尖竟然是由相同材料制成?！盫ishwanath教授說(shuō)到。

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麻省理工學(xué)院Cecil and Ida Green物理學(xué)教授Jarillo-Herrero指出，“魔角扭曲雙層石墨烯在近零磁場(chǎng)下分?jǐn)?shù)陳絕緣體的發(fā)現(xiàn)，開(kāi)啟了拓?fù)淞孔游镔|(zhì)領(lǐng)域的新篇章。它提供了一種將奇異狀態(tài)與超導(dǎo)耦合的現(xiàn)實(shí)前景，可能將創(chuàng)造和控制更奇異的拓?fù)錅?zhǔn)粒子——任意子。”

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參考：

《Fractional Chern insulators in magic-angle twisted bilayer graphene》，2021.12.15, Nature.

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文：?哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院

編譯：李每

編輯：慕一

注：本文編譯自“Eurasia Review”，不代表量子前哨觀點(diǎn)。