哥伦比亚大学的研究人员利用扭曲的二碲化钼，将曾经纯属理论范畴的一系列神秘的量子态动物园变成了现实。

这些新观察到的状态（其中一些前所未见）暗示了无需磁场即可实现的拓扑量子计算机的可能性，克服了该领域的一大障碍。科学家采用了一种高度灵敏的光学技术，不仅发现了一系列奇异的量子态，还展示了一种新的实验方法，该方法可能会改变我们研究量子物质的方式。

量子态：日益庞大的“动物园”

量子物质可以以惊人多样的形态存在，每一种都反映了大量电子相互作用时产生的异常行为。几十年来，其中许多量子态都纯粹是理论上的，是通过数学计算和模拟预测出来的，但在真实材料中尚未观察到。科学家通常将这一广阔领域称为“量子动物园”，里面充满了奇异且尚未发现的物质“物种”。

在 4 月 3 日发表于《自然》杂志的一项研究中，研究人员通过发现十多种以前未观察到的量子态，扩大了这个“动物园”的规模。

“其中一些状态前所未见，”该研究的主要作者、哥伦比亚大学霍华德家族纳米科学教授朱小洋（Xiaoyang Zhu，音译）说，“我们也没想到能观察到这么多状态。”

无磁拓扑量子计算

值得注意的是，这些新物态中的一些可能是开发拓扑量子计算机的关键——这是量子计算中的一个先进概念，目前仍停留在理论阶段。与依赖易受磁场干扰和发生操作错误的超导材料的现有量子计算机不同，拓扑量子计算机有望具备更高的稳定性和容错性。但目前的挑战在于，生产拓扑态的大部分工作都需要外部磁铁。

朱的团队可能已经克服了这一障碍。他们使用了一种高灵敏度的光学技术，发现了一些无需任何外部磁场即可呈现的状态。相反，这些状态在一种被称为扭曲二碲化钼的材料中自然出现，该材料具有独特的内部特性，支持拓扑行为。

从霍尔效应到量子突破

朱（Zhu）及其团队发现的一些新态所隐含的现象可能与霍尔效应有关。霍尔效应发现于1879年，描述了电子在磁场作用下流经金属条时如何聚集在其边缘；磁场越强，金属两端的电压差越大。当电子处于超低温且仅在二维空间中暴露于磁场时（此时最容易观察到量子力学效应），电压的变化将不再与磁场成正比；电压不会线性增加，而是会“量子化”，并以与电子电荷（电荷量已知最小的粒子）相关的步长跳跃。

这些量子阶梯还可以进一步细分为更小的阶梯，形成电荷为电子电荷分数倍的状态：-½、-⅔、-⅓等等；基于这一观察，哥伦比亚大学的荣誉退休教授霍斯特·施特默（Horst Stormer）于1998年获得了诺贝尔物理学奖。施特默在诺贝尔获奖致辞中解释了这种“分数量子霍尔效应”是量子力学中一个违反直觉的奇特现象：“这意味着，许多电子协同作用，可以产生电荷小于任何单个电子电荷的新粒子。这并非事物的本然状态……然而我们确信无疑的是，这些电子中没有任何一个分裂成了碎片。”

莫尔材料解锁隐藏的量子态

几十年来，研究人员一直在寻找分数量子霍尔效应，该效应已在多种不同材料中显现。2023 年取得了重大进展，华盛顿大学的物理学家、哥伦比亚大学能源部资助的可编程量子材料能源前沿研究中心 (ProQM) 成员徐晓东在扭曲的碲化钼层中发现了异常（即无磁场）分数量子霍尔效应，这些碲化钼层扭曲后形成了所谓的莫尔条纹。徐晓东的发现得到了康奈尔大学的实验以及上海交通大学研究成果的支持。

朱（Zhu）表示，许（Xu）指导他的博士生蔡佳琪（Jiaqi Cai）和朴贤俊（Heonjeoon Park）所完成的工作揭示了两种备受期待的分数量子反常霍尔（FQAH）态，相关成果已发表在两篇《自然》杂志上。而更多的发现还在后头。

拓扑态的莫尔条纹秘密

ProQM团队一直在研究并经常使用的材料是莫尔材料，这是由各种元素组成的原子级薄层，这些元素相互间发生了极其微小的扭曲。结果是形成了一种蜂窝状图案，而这种图案的属性既不同于单层材料，也不同于从中剥离出来的块状晶体。

当二碲化钼的层发生扭曲时，它们就会具有拓扑特性。这意味着它们的电子会以特定方式排列，促使它们结合成更大的整体，而这种整体反而又能违反直觉地分解成分数量子霍尔电荷。这种扭曲还会产生内部磁场，从而无需外部磁体。

一次偶然的实验引发发现

就在去年夏天，来自哥伦比亚大学的纽约马克斯普朗克研究中心博士后研究员、也是这篇《自然》杂志论文的主要作者王易平从徐的实验室获得了一个样本。朱（此处指王易平的同事）在外出旅行时决定利用共同作者、西蒙斯学者埃里克·阿尔塞纳尔特开发的泵浦-探测光谱技术对其进行一些实验。她的屏幕上出现了许多峰值，对应于数十个分数量子电荷——包括理论上预测可用于构建拓扑量子计算机的成分：即所谓的非阿贝尔任意子。

在泵浦-探测方法中，一束激光脉冲会“熔化”材料中的量子态，当量子态重新出现时，第二束激光脉冲会探测到介电常数的变化，介电常数可以衡量电相互作用的强度。阿森诺的方法使用的是一种超快激光，能够清晰地区分出众多分数量子能级间的细微差别。“这一发现也证明，泵浦-探测光谱法是迄今为止检测物质量子态最灵敏的技术，”朱晓农（音）说道。

一个新的量子试验场

除了能发现处于最低能量态（或基态）的量子态，它还能捕捉到量子态变化时的细节。“感觉我们进入了一个新的维度、新的时代，去探索基态中的相关性和拓扑结构，”王说。“它们总是让我们惊讶，尤其是当我们使其处于非平衡态时。”

现在，是时候弄清楚所有这些新状态究竟是什么以及它们能发挥什么最有用的作用了。“数量实在太多了。我们希望这些结果和我们的技术能够激励其他人去探索，”朱（Zhu）说。

外面确实像个动物园。

参考文献：2025年4月3日，《自然》期刊上发表了由王一平、崔正勋（Jeongheon Choe，音译）、埃里克·安德森、李玮杰、朱利安·英厄姆、埃里克·A·阿森诺、李一柳、胡晓东、谷口隆司、渡边健治、罗伊·沙维尔、德米特里·巴索夫、狄迪·萧、拉奎尔·凯罗兹、詹姆斯·C·霍恩、徐晓东和朱晓阳合著的“扭曲二碲化钼双层中分数填充的隐藏态和动力学”一文。DOI：10.1038/s41586-025-08954-8