分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)通常在非常高的磁場下出現(xiàn)，但麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家現(xiàn)在在簡單的石墨烯中觀察到了它。在5層石墨烯/六方氮化硼 (hBN) 莫爾超晶格中，電子（藍(lán)球）彼此強(qiáng)烈相互作用，并且表現(xiàn)得好像它們被分解成分?jǐn)?shù)電荷一樣

圖片來源：桑普森·威爾科克斯

美國麻省理工學(xué)院物理學(xué)家在5層石墨烯中觀察到了一種難以捉摸的分?jǐn)?shù)電荷效應(yīng)。這是結(jié)晶石墨烯中“分?jǐn)?shù)量子反?；魻栃?yīng)”（“反常”指的是不存在磁場）的第一個(gè)證據(jù)。這將使一種新形式量子計(jì)算成為可能，這種類型的計(jì)算對微擾的抵抗力更強(qiáng)。最新一期《自然》雜志報(bào)道了這一研究結(jié)果。

在非常特殊的物質(zhì)狀態(tài)下，電子可由一個(gè)整體分裂成幾個(gè)部分。這種被稱為“分?jǐn)?shù)電荷”的現(xiàn)象十分少見。如果它能夠被聚集和控制，這種奇異的電子態(tài)可有助于建立彈性、容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)。到目前為止，物理學(xué)家已經(jīng)觀察到數(shù)次分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，大多是在非常高的、精心維護(hù)的磁場下觀察到的。

去年8月，華盛頓大學(xué)的科學(xué)家報(bào)告了第一個(gè)沒有磁場的分?jǐn)?shù)電荷的證據(jù)。他們在一種名為二硫化鉬的扭曲半導(dǎo)體中觀察到了這種“反?！卑姹镜男?yīng)?！盁o磁鐵”的結(jié)果開辟了一條通向拓?fù)淞孔佑?jì)算的有前途的道路，這是一種更安全的量子計(jì)算形式。這種計(jì)算方案是基于分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)和超導(dǎo)體的組合。在這種情況下，分?jǐn)?shù)電荷將充當(dāng)量子比特。

此次，科學(xué)家終于在一種不需要如此強(qiáng)大磁場的石墨烯材料中看到了這種效果。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)5層石墨烯像臺階一樣堆放時(shí)，所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)本身就為電子提供了合適的條件，使其作為總電荷的一部分通過，而不需要任何外部磁場。

研究人員首先從一塊石墨中剝離石墨烯層，然后使用光學(xué)工具識別階梯狀結(jié)構(gòu)中的5層薄片，從而制造出兩個(gè)混合石墨烯結(jié)構(gòu)的樣品。接著，他們將石墨烯薄片壓印在六方氮化硼（hBN）薄片上，并將第二片hBN薄片放在石墨烯結(jié)構(gòu)上。最后，他們將電極連接到結(jié)構(gòu)上，并將其放入冰箱，溫度設(shè)置為接近絕對零度。

當(dāng)研究人員在材料上施加電流并測量輸出電壓時(shí)，他們開始看到分?jǐn)?shù)電荷的特征，其中電壓等于電流乘以分?jǐn)?shù)和一些基本物理常數(shù)。

通過進(jìn)一步分析，該團(tuán)隊(duì)證實(shí)了石墨烯結(jié)構(gòu)確實(shí)表現(xiàn)出分?jǐn)?shù)量子反?；魻栃?yīng)。這是第一次在石墨烯中看到這種效應(yīng)。

目前，研究團(tuán)隊(duì)正在繼續(xù)探索多層石墨烯，以尋找其他稀有電子態(tài)。