MIT 的物理学家迈出了解决电子为何会分裂成自身分数这一谜题的重要一步。他们的研究揭示了石墨烯及其他二维系统中产生奇异电子态的条件。
这一新研究旨在解释由另一组 MIT 物理学家团队今年早些时候发现的现象，该团队由助理教授 Long Ju 领导。Ju 的团队发现，在五层石墨烯（一种由五层石墨烯叠加在类似结构的氮化硼薄片上的配置）中，电子似乎表现出“分数电荷”。
Ju 的研究发现，当他将电流通过这一五层结构时，即使没有磁场，电子也会以其总电荷的分数通过。科学家们此前已经证明，在强磁场下电子会发生分裂，形成所谓的分数量子霍尔效应。然而，Ju 的工作首次发现这种现象可以在没有磁场的石墨烯中发生——这是直到最近都未被预期的现象。
这一现象被命名为“分数量子异常霍尔效应”（fractional quantum anomalous Hall effect），理论物理学家们一直试图解释分数电荷如何在五层石墨烯中出现。
MIT 物理学教授 Senthil Todadri 领导的新研究为这一问题提供了关键答案。通过对量子力学相互作用的计算，他和他的同事表明，电子会形成一种晶体结构，其性质非常适合分数电子的出现。
“这是一种全新的机制，也就是说，在几十年的研究历史中，从未有系统能够展示出这种分数电子现象，”Todadri 说。“这令人兴奋，因为它为以前只能想象的各种新实验打开了可能性的大门。”
该团队的研究成果已于近期发表在Physical Review Letters期刊上。此外，还有两个研究团队——分别来自约翰斯·霍普金斯大学，以及哈佛大学、加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室——在同一期刊中发表了类似结果。MIT 团队成员包括博士毕业生 Zhihuan Dong（2024 年）和前博士后 Adarsh Patri。
“分数现象”
2018 年，MIT 物理学教授 Pablo Jarillo-Herrero 及其同事首次观察到，通过堆叠和扭转两层石墨烯可以产生新的电子行为。每层石墨烯薄如原子，由六边形碳原子构成的鸡网状晶格组成。通过以特定角度堆叠两层石墨烯，他发现由此产生的干涉图案（或莫尔条纹）会引发意想不到的现象，例如在同一种材料中同时表现出超导性和绝缘性。这一现象被称为“魔角石墨烯”，并迅速催生了一个新领域——“扭转电子学”，即研究扭转二维材料中的电子行为。
“在他完成实验后不久，我们意识到这些莫尔系统在寻找能够产生分数电子相的条件方面是理想的平台，”与 Jarillo-Herrero 在同年合作研究的 Todadri 说道。他们的研究从理论上证明，这类扭曲系统可以在没有磁场的情况下表现出分数电荷。“我们当时就提倡这些系统是研究分数现象的最佳选择。”他说道。
2023 年 9 月，Todadri 通过 Zoom 接到 Ju 的电话。Ju 熟悉 Todadri 的理论研究，并在自己的实验过程中与他保持联系。
“他周六打电话给我，向我展示他在五层石墨烯中观察到的电子分数数据，”Todadri 回忆道。“这让我非常惊讶，因为这并未按照我们预期的方式发展。”
在 2018 年的论文中，Todadri 预测，分数电荷应该从一种特定电子波函数扭曲特性的前驱相中产生。广义上来说，他认为电子的量子特性应该具有某种扭曲性，或者可以在不改变其内在结构的情况下被操控的程度。他预测，这种扭曲性随着石墨烯层数的增加而增强。
“对于五层石墨烯，我们认为波函数会绕 5 次，这会是电子分数的前兆，”Todadri 说道。“但他的实验发现波函数确实绕了圈，但只绕了一次。这就提出了一个重要问题：我们应该如何理解所观察到的现象？”
非凡的晶体
在新的研究中，Todadri 重新研究五层石墨烯中的电子分数现象如何通过非预期路径出现。物理学家重新审视原有假设，并意识到他们可能遗漏了关键因素。
“在研究任何电子系统时，通常的策略是将电子视为独立的行为者，然后分析它们的拓扑或扭曲，”Todadri 解释道。“但从 Long 的实验中，我们知道这一近似方法必然是不正确的。”
在大多数材料中，电子有足够的空间相互排斥并独立运动。然而，在二维结构如五层石墨烯中，电子活动空间受到极大限制。团队意识到，电子在这种情况下必须通过量子关联以及自然排斥来相互作用。当物理学家将电子间相互作用加入理论后，发现这一理论准确预测了 Ju 观察到的五层石墨烯中的波函数扭曲。
当理论预测与实验观测一致后，研究团队以此为基础，找出了五层石墨烯中分数电荷产生的机制。
他们发现，五层石墨烯的莫尔排列（每层碳原子晶格排列在另一层和氮化硼上）引发了一个微弱的电势。当电子穿过这一电势时，它们形成了一种晶体，即周期性的排列，这种晶体限制了电子的运动，并迫使它们通过量子关联相互作用。这种电子之间的“拉锯战”形成了一种可能的物理态云，每个电子云与晶体中的其他电子云相互作用，产生了一种量子关联的波函数模式，从而形成了电子分数现象的基础。
“这种晶体具有一整套不同于普通晶体的特殊性质，并为未来研究提出了许多令人着迷的问题，”Todadri 说道。“从短期来看，这一机制为理解五层石墨烯中电子分数现象的观察结果提供了理论基础，并为预测具有类似物理特性的其他系统奠定了基础。”
这项研究部分由美国国家科学基金会和 Simons 基金会资助。
https://news.mit.edu/2024/how-can-electrons-can-split-into-fractions-1118