研究人员在分数量子霍尔效应的研究中发现了新现象。

在极端条件下进行的实验揭示了物质的意外状态，挑战了现有理论，并为量子计算和材料科学的进步奠定了基础。

探索量子物理的神秘世界

想象一下一个二维的平面国，而不是我们的三维世界，那里的物理定律被颠覆，像电子这样的粒子违背了人们的期望，揭示了新的秘密。这正是乔治亚州立大学物理学教授拉梅什·G·马尼和最近的博士毕业生U·库尚·维杰瓦德纳领导的一支研究团队在乔治亚州立大学的实验室所研究的内容。

他们的研究成果在《通信物理学》期刊上发表的最新发现。研究团队深入了分数量子霍尔效应（FQHE）的神秘世界，当这些系统以新的方式被探测并超出其通常的边界时，他们发现了新颖且出乎意料的现象。

分数量子霍尔效应方面的突破

“几十年来，分数量子霍尔效应的研究一直是现代凝聚态物理学的重要焦点，因为平坦土地上的粒子可以拥有多种个性，并且可以根据需要表现出依赖于环境的个性，”马尼说。“我们的最新发现推动了这一领域的边界，为这些复杂系统提供了新的见解。”

自1980年克劳斯·冯·克利青报道了他的发现以来，量子霍尔效应一直是凝聚态物理中一个充满活力和关键的领域。他发现，一个简单的电测量可以为决定我们宇宙行为的一些基本常数提供非常精确的值。这一发现使他在1985年获得了诺贝尔奖。

1998年，因发现和了解分数量子霍尔效应而颁发诺贝尔奖，该效应表明二维空间粒子可能具有分数量子电荷。随着石墨烯的发现，这一研究之旅得以继续，石墨烯这种材料展示了二维空间中无质量电子的可能性，并在2010年再次获得诺贝尔奖。

最后，与量子霍尔效应相关的新物质相理论在2016年获得了诺贝尔奖。

凝聚态物理学对技术的影响

凝聚态物理学的发现使得现代电子产品，如手机、电脑、GPS、LED照明、太阳能电池，甚至是自动驾驶汽车成为可能。凝聚态物理学现在正在研究二维平面科学和二维平面材料，以期实现更高效、更灵活、更快、更轻的未来电子产品，包括新型传感器、更高效的太阳能电池、量子计算机和拓扑量子计算机。

在接近零下459华氏度（零下273摄氏度）的极端寒冷条件和近10万倍于地球磁场的条件下，马尼、维杰瓦德纳及其同事开展了一系列实验。他们向由砷化镓（GaAs）和铝镓砷（AlGaAs）材料制成的三明治结构的高迁移率半导体器件施加补充电流，以实现电子在二维平面上的运动。他们观察到所有分数量子霍尔效应态均意外分裂，并观察到分裂的分支发生交叉，从而得以探索这些量子系统的新非平衡态，揭示出物质的全新状态。这项研究突出了由苏黎世联邦理工学院教授沃纳·韦格舍德尔和克里斯蒂安·赖希尔博士生产的高质量晶体在这项研究成功中的关键作用。

通过创新研究揭示物质的新状态

“把传统分数量子霍尔效应的研究想象成探索一栋建筑物的底层，”马尼说道，“我们的研究是寻找并发现上面的楼层——那些令人兴奋且未被探索过的楼层——并找出它们是什么样子的。令人惊讶的是，我们用了一种简单的方法，就进入了这些上层楼层，并揭示了激发态的复杂特征。”

Wijewardena 去年获得了乔治亚州立大学的物理学博士学位，现在是位于米利奇维尔市的乔治亚州立学院和州立大学的教师，他对他们的工作表示非常兴奋。

Wijewardena 说：“我们多年来一直在研究这些现象，但这是我们首次报告通过应用直流偏置来实现分数量子霍尔态的激发态的实验发现。”“结果非常令人着迷，我们花了很长时间才对我们的观察结果给出了一个合理的解释。”

该研究由美国国家科学基金会和美国陆军研究办公室提供支持，它不仅挑战了现有的理论，而且为观察到的非平衡激发态FQHEs提出了一种混合起源。这种创新的方法和意外的结果凸显了凝聚态物理领域新发现的潜力，激发了未来的研究和技术进步。

研究团队的发现所带来的影响远远超出了实验室的范畴，它预示着对量子计算和材料科学的潜在洞见。通过探索这些未知的领域，这些研究人员正在为未来的技术奠定基础——同时也在培养新一代的学生——这些技术可能会从数据处理到能源效率彻底改变一切，并推动高科技经济的发展。

马尼（Mani）、维杰瓦德纳（Wijewardena）及其团队正在将这些研究扩展到更为极端的条件下，探索测量具有挑战性的二维平面参数的新方法。随着他们的不断推进，他们预计将在这些量子系统中发现更多细微差别，为该领域提供有价值的见解。随着每一次实验的进行，研究团队都离理解这些复杂行为越来越近，同时，他们也一直对实验过程中可能出现的新发现保持开放态度。

参考文献：U. Kushan Wijewardena，Ramesh G. Mani，Annika Kriisa，Christian Reichl和Werner Wegscheider于2024年8月6日在《通信物理》上发表的“通过电流偏置光谱法观测到的非平衡激发态分数化量子霍尔效应”。DOI: 10.1038/s42005-024-01759-7