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rlafite木蟲 (正式寫手)
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[交流]
利用光探測分數(shù)量子陳絕緣體中的分數(shù)電荷
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利用光探測分數(shù)量子陳絕緣體中的分數(shù)電荷 在某些量子材料中——即受量子力學效應支配的材料——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粒子。這種準粒子僅攜帶電子電荷的一部分（即分數(shù)電荷），并具有分數(shù)量子統(tǒng)計性質(zhì)。 以任意子出現(xiàn)為特征的一個著名現(xiàn)象是所謂的分數(shù)量子霍爾效應（FQHE）。該效應可在強磁場下的二維電子氣中出現(xiàn)，其特征是電子之間發(fā)生強相互作用所形成的量子態(tài)。 近期研究表明，在沒有外加磁場的情況下，也可以在一種稱為分數(shù)量子陳絕緣體（FCIs）的量子物態(tài)中產(chǎn)生類似的效應，這被稱為分數(shù)量子反�；魻枺‵QAH）效應。FQAH效應首次在雙層扭轉(zhuǎn)二碲化鉬（tMoTe₂）中實現(xiàn)——這是一種具有特征晶格圖案、且層間存在微小扭轉(zhuǎn)角的莫爾超晶格結構。 來自華盛頓大學、日本國立材料科學研究所和蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員最近開展了一項研究，旨在探測tMoTe₂中的分數(shù)電荷。他們發(fā)表在《Nature》上的論文報告了一種新發(fā)現(xiàn)的激子復合體：由一個三體激子（由兩個空穴和一個電子組成）與一個分數(shù)電荷束縛形成的結構，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采訪時表示：“我的團隊早在2023年就在扭轉(zhuǎn)雙層MoTe₂中實現(xiàn)了FQAH效應。FCI態(tài)的基本激發(fā)被認為是在零磁場下出現(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，被認為是實現(xiàn)容錯量子計算的有前景候選者。” 利用量子限域三體激子探測分數(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 迄今為止，在量子材料中直接觀測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，是確定tMoTe₂中任意子的分數(shù)電荷，這種材料被證明在研究奇異量子效應方面尤具潛力。 Xu解釋道：“我們之前的研究表明，三體激子是探測FCI態(tài)的靈敏探針。在這里，三體激子是由一個中性激子（電子-空穴對）與一個額外自由載流子形成的束縛態(tài)。我們隨后設想，三體激子是否也可以與任意子結合，形成一個帶有分數(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)化為可通過光學分辨的信號來探測分數(shù)電荷。” 為了驗證這一假設激子態(tài)是否存在，研究人員首先制備了MoTe₂雙層結構，并通過精確控制電子密度對其進行調(diào)控，從而誘導出FCI態(tài)。隨后，他們采用一種稱為光致發(fā)光光譜（photoluminescence spectroscopy）的技術對材料進行研究，即通過照射材料并測量其發(fā)射光來分析其性質(zhì)。 研究團隊觀察到了與FCI態(tài)相關的發(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和磁場條件下的變化情況。 這些實驗最終促成了一種新的復合準粒子的發(fā)現(xiàn)——由分數(shù)電荷與三體激子束縛而成。通過測量將這些粒子結合在一起的能量（束縛能），研究人員證明了FCI中存在帶有分數(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)，淺俘獲勢阱（即量子點）可以穩(wěn)定任意子-三體激子。通過對FCI態(tài)進行輕微摻雜，我們觀察到一個新的光致發(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數(shù)電荷之間形成了束縛態(tài)。我們進一步證明，這種能量偏移與分數(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�！� 通向混合量子技術的新路徑 這項最新研究為FCI中存在分數(shù)電荷激發(fā)提供了令人信服的實驗證據(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下確立任意子存在的關鍵一步。我們還識別出一種新的激子復合體——任意子-三體激子。這為探測分數(shù)電荷引入了一種光學方法，與既有的基于輸運的技術形成互補。我們的結果連接了量子光學與關聯(lián)拓撲兩個研究領域。” 未來，Xu及其同事的研究可能會啟發(fā)新型量子計算方案的發(fā)展，這些方案將利用光子與任意子來處理信息。具體而言，這有望實現(xiàn)一種系統(tǒng)：任意子作為容錯量子比特，而光子則作為“飛行”量子比特，在不同量子設備之間傳遞信息。這對于構建大規(guī)模量子網(wǎng)絡，甚至未來的量子互聯(lián)網(wǎng)，具有重要意義。 Xu補充道：“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)）的光學活性量子點。我們計劃開展量子光學測量，以進一步研究任意子物理，包括以一種補充輸運方法的方式獲取任意子統(tǒng)計性質(zhì)。最終，我們的目標是建立一個混合平臺，為未來研究容錯量子信息處理奠定基礎�！� 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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