《自然》重磅：偶分母態(tài) AB 干涉的直接觀測

1980 年量子霍爾效應(yīng)（QHE）的發(fā)現(xiàn)改變了我們對凝聚態(tài)物理的理解，引入了拓撲序的概念。雖然整數(shù)和奇分母分數(shù)量子霍爾態(tài)已被廣泛研究，但偶分母分數(shù)量子霍爾（FQH）態(tài)——特別是填充因子為 ν = 5/2 或 ν = 1/2 的狀態(tài)——仍然是物質(zhì)界最神秘的相態(tài)之一。發(fā)表在《自然》關(guān)于偶分母 FQH 態(tài)中阿哈羅諾夫-波姆（AB）干涉的研究，是一個里程碑式的成就，它為探測實現(xiàn)容錯拓撲量子計算所需的非阿貝爾統(tǒng)計提供了直接窗口。

1. 偶分母態(tài)之謎

在標準的分數(shù)量子霍爾效應(yīng)中，準粒子攜帶分數(shù)電荷并遵循阿貝爾分數(shù)統(tǒng)計。這意味著當兩個準粒子交換位置時，多體波函數(shù)僅獲得一個相位因子 e^{iθ}。然而，偶分母態(tài)（最初在 GaAs 異質(zhì)結(jié)中的 ν = 5/2 處發(fā)現(xiàn)）本質(zhì)上是不同的。

理論模型（最著名的是 Moore-Read Pfaffian 態(tài)）表明，這些偶分母流體是復(fù)合費米子的“拓撲超導(dǎo)體”。這些狀態(tài)下的激發(fā)被預(yù)言為非阿貝爾任意子。與阿貝爾粒子不同，交換非阿貝爾任意子不僅會產(chǎn)生相位，還會在簡并基態(tài)流形內(nèi)進行酉變換。簡單來說，系統(tǒng)會“記住”粒子交換的順序，這一特性構(gòu)成了拓撲量子比特的基礎(chǔ)。

2. 法布里-珀羅干涉儀：量子標尺

為了證明這些奇異粒子的存在，物理學(xué)家利用法布里-珀羅干涉儀（FPI）進行 阿哈羅諾夫-波姆 (AB) 效應(yīng)測量。

在 FPI 器件中，兩個“量子點接觸”（QPC）充當邊緣態(tài)電流的分束器。準粒子可以通過兩條路徑從源極到達漏極：內(nèi)側(cè)路徑或外側(cè)路徑，并繞過一個體相流體“島”。

這兩條路徑之間的干涉取決于回路包圍的磁通量（Φ）以及島內(nèi)捕獲的準粒子所貢獻的統(tǒng)計相位。總相位差 Δθ 可以表示為：

其中：e*是有效分數(shù)電荷。θ_{stat} 是由于回路內(nèi)粒子數(shù)量變化引起的拓撲相位變化。

3. 雙層石墨烯的突破

雖然歷史上 ν = 5/2 態(tài)多在砷化鎵（GaAs）中研究，但最近的開創(chuàng)性工作已轉(zhuǎn)向雙層石墨烯。雙層石墨烯提供了更清潔的環(huán)境，并且可以通過外部柵極高度調(diào)節(jié)能帶間隙。

偶分母態(tài)的關(guān)鍵觀測結(jié)果：

1. 準粒子電荷（e/4 和 e/2）：在 ν = 1/2 處的干涉圖譜顯示，磁通震蕩周期與攜帶電子電荷分數(shù)的準粒子一致。在 Moore-Read 框架下，基本激發(fā)預(yù)計攜帶 e* = e/4 的電荷。
2. 相位跳變與任意子的存在：隨著磁場或柵極電壓的變化，局域在干涉儀體相中的準粒子數(shù)量會發(fā)生離散變化。每當一個準粒子進入“島”內(nèi)，干涉圖案就會發(fā)生移動。
3. 相干性的穩(wěn)定性：主要挑戰(zhàn)之一是偶分母態(tài)非常脆弱。最近的實驗證明，相干性可以在微米級距離上維持，這是任何實際應(yīng)用的前提條件。

4. 非阿貝爾統(tǒng)計的證據(jù)

在 AB 干涉儀中，非阿貝爾統(tǒng)計的“鐵證”是干涉受準粒子數(shù)量奇偶性的抑制或調(diào)制。

在像 Pfaffian 這樣的非阿貝爾態(tài)中，如果回路內(nèi)存在奇數(shù)個 e/4 準粒子，由于準粒子環(huán)繞一周會改變系統(tǒng)的量子態(tài)（這一過程稱為“改變?nèi)诤贤ǖ馈保A(yù)言干涉會消失或顯著改變。近期觀測到的干涉幅度中明顯的“奇偶效應(yīng)”數(shù)據(jù)，為這些狀態(tài)確實具有非阿貝爾屬性提供了迄今為止最強有力的證據(jù)。

5. 對未來的啟示

在偶分母態(tài)中觀測并控制 Aharonov–Bohm 干涉，不僅是對已有 30 年歷史的理論的驗證，更是拓撲編織實驗的起跑信號。

1. 編織：通過移動 QPC 或使用柵電極讓準粒子相互繞行，研究人員可以執(zhí)行受系統(tǒng)全局拓撲保護的邏輯門。
2. 糾錯：由于信息是全局存儲而非局域存儲的，它對局部噪聲具有免疫力，這可能解決困擾當前超導(dǎo)和離子阱量子計算機的“退相干”問題。

結(jié)論

偶分母分數(shù)量子霍爾態(tài)中 Aharonov–Bohm 干涉的研究代表了現(xiàn)代實驗?zāi)蹜B(tài)物理的巔峰。它架起了抽象數(shù)學(xué)拓撲與切實電子器件之間的橋梁。隨著我們精煉在雙層石墨烯等材料中操控 e/4 任意子的能力，我們正邁向一個量子技術(shù)的新時代——在這個時代，拓撲將為對抗微觀世界的混亂提供堅實的護盾。