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利用光探测分数量子陈绝缘体中的分数电荷
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利用光探测分数量子陈绝缘体中的分数电荷 在某些量子材料中——即受量子力学效应支配的材料——带电粒子（即电子）之间的相互作用可以促使形成一种称为任意子的准粒子。这种准粒子仅携带电子电荷的一部分（即分数电荷），并具有分数量子统计性质。 以任意子出现为特征的一个著名现象是所谓的分数量子霍尔效应（FQHE）。该效应可在强磁场下的二维电子气中出现，其特征是电子之间发生强相互作用所形成的量子态。 近期研究表明，在没有外加磁场的情况下，也可以在一种称为分数量子陈绝缘体（FCIs）的量子物态中产生类似的效应，这被称为分数量子反常霍尔（FQAH）效应。FQAH效应首次在双层扭转二碲化钼（tMoTe₂）中实现——这是一种具有特征晶格图案、且层间存在微小扭转角的莫尔超晶格结构。 来自华盛顿大学、日本国立材料科学研究所和苏黎世联邦理工学院的研究人员最近开展了一项研究，旨在探测tMoTe₂中的分数电荷。他们发表在《Nature》上的论文报告了一种新发现的激子复合体：由一个三体激子（由两个空穴和一个电子组成）与一个分数电荷束缚形成的结构，被命名为“任意子-三体激子”（anyon-trions）。 论文的资深作者Xiaodong Xu在接受Phys.org采访时表示：“我的团队早在2023年就在扭转双层MoTe₂中实现了FQAH效应。FCI态的基本激发被认为是在零磁场下出现的任意子。在这里，任意子是一种存在于二维系统中的奇异粒子，被认为是实现容错量子计算的有前景候选者。” 利用量子限域三体激子探测分数量子陈绝缘体态。图片来源：《Nature》（2026），DOI: 10.1038/s41586-026-10101-w 任意子-三体激子的产生与探测 迄今为止，在量子材料中直接观测任意子一直极具挑战性。Xu及其同事近期论文的主要目标，是确定tMoTe₂中任意子的分数电荷，这种材料被证明在研究奇异量子效应方面尤具潜力。 Xu解释道：“我们之前的研究表明，三体激子是探测FCI态的灵敏探针。在这里，三体激子是由一个中性激子（电子-空穴对）与一个额外自由载流子形成的束缚态。我们随后设想，三体激子是否也可以与任意子结合，形成一个带有分数电荷的激子态，即任意子-三体激子。如果这种激子态存在，就可以通过将其性质转化为可通过光学分辨的信号来探测分数电荷。” 为了验证这一假设激子态是否存在，研究人员首先制备了MoTe₂双层结构，并通过精确控制电子密度对其进行调控，从而诱导出FCI态。随后，他们采用一种称为光致发光光谱（photoluminescence spectroscopy）的技术对材料进行研究，即通过照射材料并测量其发射光来分析其性质。 研究团队观察到了与FCI态相关的发光峰。随后，他们考察了这些发光峰在温度变化以及不同电场和磁场条件下的变化情况。 这些实验最终促成了一种新的复合准粒子的发现——由分数电荷与三体激子束缚而成。通过测量将这些粒子结合在一起的能量（束缚能），研究人员证明了FCI中存在带有分数电荷的激发态。 论文第一作者Weijie Li表示：“我们发现，浅俘获势阱（即量子点）可以稳定任意子-三体激子。通过对FCI态进行轻微掺杂，我们观察到一个新的光致发光峰，其能量低于普通三体激子态。这种能量红移意味着三体激子与分数电荷之间形成了束缚态。我们进一步证明，这种能量偏移与分数电荷的大小成比例，为任意子-三体激子的形成提供了有力支持。” 通向混合量子技术的新路径 这项最新研究为FCI中存在分数电荷激发提供了令人信服的实验证据。研究人员所采用的方法及其初步发现，有望为进一步探索奇异量子物态铺平道路。 Xu表示：“我们的研究是在零磁场下确立任意子存在的关键一步。我们还识别出一种新的激子复合体——任意子-三体激子。这为探测分数电荷引入了一种光学方法，与既有的基于输运的技术形成互补。我们的结果连接了量子光学与关联拓扑两个研究领域。” 未来，Xu及其同事的研究可能会启发新型量子计算方案的发展，这些方案将利用光子与任意子来处理信息。具体而言，这有望实现一种系统：任意子作为容错量子比特，而光子则作为“飞行”量子比特，在不同量子设备之间传递信息。这对于构建大规模量子网络，甚至未来的量子互联网，具有重要意义。 Xu补充道：“我们目前正致力于开发具有可控性质和精确位置（包括样品边缘和体内）的光学活性量子点。我们计划开展量子光学测量，以进一步研究任意子物理，包括以一种补充输运方法的方式获取任意子统计性质。最终，我们的目标是建立一个混合平台，为未来研究容错量子信息处理奠定基础。” 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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