3/2偶數(shù)分母量子霍爾平臺的實驗觀測
從理論物理學家安德森“more is different”的觀點提出以來,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粒子。 極低溫強磁場中的超高遷移率二維電子氣可以出現(xiàn)分數(shù)量子霍爾效應。奇數(shù)分母的分數(shù)量子霍爾態(tài)有唯一的基態(tài):復合費米子的整數(shù)量子霍爾效應或復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的分數(shù)態(tài)是罕有的偶數(shù)分母態(tài)的例子,它可能對應了p波配對的復合費米子,擁有拓撲保護的多簡并基態(tài)波函數(shù),其準粒子可能服從非阿貝爾統(tǒng)計。5/2態(tài)是第一個被認為可以用于拓撲量子計算的實驗體系。3/2填充因子處,原有的實驗結(jié)果和理論框架支持復合費米子海的解釋,即不存在3/2分數(shù)態(tài),也不應該存在分數(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)] 量子材料科學中心于2016年觀測到了3/2偶數(shù)分母分數(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L. N. Pfeiffer提供。實驗發(fā)現(xiàn),3/2平臺的量子化程度高達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分數(shù)態(tài),所以1/6量子電導被反射了。1/6的量子電導不屬于通常理論框架下的任何邊界態(tài),所以它的出現(xiàn)可能預示著新的邊界態(tài)以及新的準粒子的出現(xiàn)。量子中心的謝心澄老師和他的學生吳宜家對此給出理論分析,提出隧穿強度的變化在局域結(jié)構(gòu)附近引起拓撲相變,從而導致分數(shù)電荷的再次量子化。5/3分數(shù)態(tài)的準粒子攜帶的電荷是e/3,1/6電導的出現(xiàn)可能是5/3態(tài)的準粒子繼續(xù)1/2量子化的結(jié)果,所以理論預言了一個攜帶e/6分數(shù)電荷的新激發(fā)。
北京大學
2021-04-11