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rlafite木蟲 (正式寫手)
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利用光探測(cè)分?jǐn)?shù)量子陳絕緣體中的分?jǐn)?shù)電荷
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利用光探測(cè)分?jǐn)?shù)量子陳絕緣體中的分?jǐn)?shù)電荷 在某些量子材料中——即受量子力學(xué)效應(yīng)支配的材料——帶電粒子（即電子）之間的相互作用可以促使形成一種稱為任意子的準(zhǔn)粒子。這種準(zhǔn)粒子僅攜帶電子電荷的一部分（即分?jǐn)?shù)電荷），并具有分?jǐn)?shù)量子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。 以任意子出現(xiàn)為特征的一個(gè)著名現(xiàn)象是所謂的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)（FQHE）。該效應(yīng)可在強(qiáng)磁場(chǎng)下的二維電子氣中出現(xiàn)，其特征是電子之間發(fā)生強(qiáng)相互作用所形成的量子態(tài)。 近期研究表明，在沒有外加磁場(chǎng)的情況下，也可以在一種稱為分?jǐn)?shù)量子陳絕緣體（FCIs）的量子物態(tài)中產(chǎn)生類似的效應(yīng)，這被稱為分?jǐn)?shù)量子反�；魻枺‵QAH）效應(yīng)。FQAH效應(yīng)首次在雙層扭轉(zhuǎn)二碲化鉬（tMoTe₂）中實(shí)現(xiàn)——這是一種具有特征晶格圖案、且層間存在微小扭轉(zhuǎn)角的莫爾超晶格結(jié)構(gòu)。 來自華盛頓大學(xué)、日本國(guó)立材料科學(xué)研究所和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員最近開展了一項(xiàng)研究，旨在探測(cè)tMoTe₂中的分?jǐn)?shù)電荷。他們發(fā)表在《Nature》上的論文報(bào)告了一種新發(fā)現(xiàn)的激子復(fù)合體：由一個(gè)三體激子（由兩個(gè)空穴和一個(gè)電子組成）與一個(gè)分?jǐn)?shù)電荷束縛形成的結(jié)構(gòu)，被命名為“任意子-三體激子”（anyon-trions）。 論文的資深作者Xiaodong Xu在接受Phys.org采訪時(shí)表示：“我的團(tuán)隊(duì)早在2023年就在扭轉(zhuǎn)雙層MoTe₂中實(shí)現(xiàn)了FQAH效應(yīng)。FCI態(tài)的基本激發(fā)被認(rèn)為是在零磁場(chǎng)下出現(xiàn)的任意子。在這里，任意子是一種存在于二維系統(tǒng)中的奇異粒子，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算的有前景候選者�！� 利用量子限域三體激子探測(cè)分?jǐn)?shù)量子陳絕緣體態(tài)。圖片來源：《Nature》（2026），DOI: 10.1038/s41586-026-10101-w 任意子-三體激子的產(chǎn)生與探測(cè) 迄今為止，在量子材料中直接觀測(cè)任意子一直極具挑戰(zhàn)性。Xu及其同事近期論文的主要目標(biāo)，是確定tMoTe₂中任意子的分?jǐn)?shù)電荷，這種材料被證明在研究奇異量子效應(yīng)方面尤具潛力。 Xu解釋道：“我們之前的研究表明，三體激子是探測(cè)FCI態(tài)的靈敏探針。在這里，三體激子是由一個(gè)中性激子（電子-空穴對(duì)）與一個(gè)額外自由載流子形成的束縛態(tài)。我們隨后設(shè)想，三體激子是否也可以與任意子結(jié)合，形成一個(gè)帶有分?jǐn)?shù)電荷的激子態(tài)，即任意子-三體激子。如果這種激子態(tài)存在，就可以通過將其性質(zhì)轉(zhuǎn)化為可通過光學(xué)分辨的信號(hào)來探測(cè)分?jǐn)?shù)電荷。” 為了驗(yàn)證這一假設(shè)激子態(tài)是否存在，研究人員首先制備了MoTe₂雙層結(jié)構(gòu)，并通過精確控制電子密度對(duì)其進(jìn)行調(diào)控，從而誘導(dǎo)出FCI態(tài)。隨后，他們采用一種稱為光致發(fā)光光譜（photoluminescence spectroscopy）的技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行研究，即通過照射材料并測(cè)量其發(fā)射光來分析其性質(zhì)。 研究團(tuán)隊(duì)觀察到了與FCI態(tài)相關(guān)的發(fā)光峰。隨后，他們考察了這些發(fā)光峰在溫度變化以及不同電場(chǎng)和磁場(chǎng)條件下的變化情況。 這些實(shí)驗(yàn)最終促成了一種新的復(fù)合準(zhǔn)粒子的發(fā)現(xiàn)——由分?jǐn)?shù)電荷與三體激子束縛而成。通過測(cè)量將這些粒子結(jié)合在一起的能量（束縛能），研究人員證明了FCI中存在帶有分?jǐn)?shù)電荷的激發(fā)態(tài)。 論文第一作者Weijie Li表示：“我們發(fā)現(xiàn)，淺俘獲勢(shì)阱（即量子點(diǎn)）可以穩(wěn)定任意子-三體激子。通過對(duì)FCI態(tài)進(jìn)行輕微摻雜，我們觀察到一個(gè)新的光致發(fā)光峰，其能量低于普通三體激子態(tài)。這種能量紅移意味著三體激子與分?jǐn)?shù)電荷之間形成了束縛態(tài)。我們進(jìn)一步證明，這種能量偏移與分?jǐn)?shù)電荷的大小成比例，為任意子-三體激子的形成提供了有力支持�！� 通向混合量子技術(shù)的新路徑 這項(xiàng)最新研究為FCI中存在分?jǐn)?shù)電荷激發(fā)提供了令人信服的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。研究人員所采用的方法及其初步發(fā)現(xiàn)，有望為進(jìn)一步探索奇異量子物態(tài)鋪平道路。 Xu表示：“我們的研究是在零磁場(chǎng)下確立任意子存在的關(guān)鍵一步。我們還識(shí)別出一種新的激子復(fù)合體——任意子-三體激子。這為探測(cè)分?jǐn)?shù)電荷引入了一種光學(xué)方法，與既有的基于輸運(yùn)的技術(shù)形成互補(bǔ)。我們的結(jié)果連接了量子光學(xué)與關(guān)聯(lián)拓?fù)鋬蓚�(gè)研究領(lǐng)域�！� 未來，Xu及其同事的研究可能會(huì)啟發(fā)新型量子計(jì)算方案的發(fā)展，這些方案將利用光子與任意子來處理信息。具體而言，這有望實(shí)現(xiàn)一種系統(tǒng)：任意子作為容錯(cuò)量子比特，而光子則作為“飛行”量子比特，在不同量子設(shè)備之間傳遞信息。這對(duì)于構(gòu)建大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)，甚至未來的量子互聯(lián)網(wǎng)，具有重要意義。 Xu補(bǔ)充道：“我們目前正致力于開發(fā)具有可控性質(zhì)和精確位置（包括樣品邊緣和體內(nèi)）的光學(xué)活性量子點(diǎn)。我們計(jì)劃開展量子光學(xué)測(cè)量，以進(jìn)一步研究任意子物理，包括以一種補(bǔ)充輸運(yùn)方法的方式獲取任意子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。最終，我們的目標(biāo)是建立一個(gè)混合平臺(tái)，為未來研究容錯(cuò)量子信息處理奠定基礎(chǔ)。” Publication details Weijie Li et al, Signatures of fractional charges via anyon–trions in twisted MoTe2, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10101-w Journal information: Nature |
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