MIT 的物理学家迈出了处罚电子为何会分裂成自成分数这一谜题的蹙迫一步。他们的参议揭示了偏激他二维系统中产生奇异电子态的条目体育游戏app平台。

这一新参议旨在解释由另一组 MIT 物理学家团队本年早些技术发现的惬心，该团队由助理西宾 Long Ju 指引。Ju 的团队发现，在五层石墨烯（一种由五层石墨烯肖似在类似结构的氮化硼薄片上的设置）中，电子似乎发扬出“分数电荷”。

Ju 的参议发现，当他将电畅通过这一五层结构时，即使莫得磁场，电子也会以其总电荷的分数通过。科学家们此前照旧解说，在强磁场下电子会发生疏裂，酿成所谓的分数目子霍尔效应。但是，Ju 的责任初度发现这种惬心不错在莫得磁场的石墨烯中发生——这是直到最近王人未被预期的惬心。

这一惬心被定名为“分数目子极端霍尔效应”（fractional quantum anomalous Hall effect），表面物理学家们一直试图解释分数电荷如安在五层石墨烯中出现。

MIT 物理学西宾 Senthil Todadri 指引的新参议为这一问题提供了关键谜底。通过对量子力学相互作用的打算，他和他的共事标明，电子会酿成一种晶体结构，其性质相等恰当分数电子的出现。

“这是一种全新的机制，也等于说，在几十年的参议历史中，从未有系统好像展示出这种分数电子惬心，”Todadri 说。“这令东说念主高兴，因为它为往时只可念念象的各式新推行掀开了可能性的大门。”

该团队的参议收尾已于近期发表在Physical Review Letters期刊上。此外，还有两个参议团队——离别来自约翰斯·霍普金斯大学，以及哈佛大学、加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国度推行室——在归并期刊中发表了类似收尾。MIT 团队成员包括博士毕业生 Zhihuan Dong（2024 年）和前博士后 Adarsh Patri。

“分数惬心”

2018 年，MIT 物理学西宾 Pablo Jarillo-Herrero 偏激共事初度不雅察到，通过堆叠和扭转两层石墨烯不错产生新的电子算作。每层石墨烯薄如原子，由六边形碳原子组成的鸡网状晶格组成。通过以特定角度堆叠两层石墨烯，他发现由此产生的干与图案（或莫尔条纹）会激发出东说念主料念念的惬心，举例在归并种材料中同期发扬出超导性和绝缘性。这一惬心被称为“魔角石墨烯”，并马上催生了一个新范畴——“扭转电子学”，即参议扭转二维材料中的电子算作。

“在他完成推行后不久，咱们意志到这些莫尔系统在寻找好像产生疏数电子相的条目方面是理念念的平台，”与 Jarillo-Herrero 在同庚协作参议的 Todadri 说说念。他们的参议从表面上解说，这类污蔑系统不错在莫得磁场的情况下发扬出分数电荷。“咱们那时就提倡这些系统是参议分数惬心的最好聘请。”他说说念。

2023 年 9 月，Todadri 通过 Zoom 接到 Ju 的电话。Ju 熟识 Todadri 的表面参议，并在我方的推行进程中与他保合手关系。

“他周六打电话给我，向我展示他在五层石墨烯中不雅察到的电子分数数据，”Todadri 回忆说念。“这让我相等骇怪，因为这并未按照咱们预期的形势发展。”

在 2018 年的论文中，Todadri 揣度，分数电荷应该从一种特定电子波函数污蔑特质的先行者相中产生。广义上来说，他合计电子的量子特质应该具有某种污蔑性，或者不错在不改动其内在结构的情况下被操控的进度。他揣度，这种污蔑性跟着石墨烯层数的加多而增强。

“关于五层石墨烯，咱们合计波函数会绕 5 次，这会是电子分数的前兆，”Todadri 说说念。“但他的推行发现波函数照实绕了圈，但只绕了一次。这就提倡了一个蹙迫问题：咱们应该若何意会所不雅察到的惬心？”

不凡的晶体

在新的参议中，Todadri 从头参议五层石墨烯中的电子分数惬心若何通过非预期旅途出现。物理学家从头疑望原有假定，并意志到他们可能遗漏了关键因素。

“在参议任何电子系统时，频繁的战术是将电子视为零丁的算作者，然后分析它们的拓扑或污蔑，”Todadri 解释说念。“但从 Long 的推行中，咱们知说念这一近似圭臬势必是不正确的。”

在大多量材料中，电子有充足的空间相互拔除并零丁瓦解。但是，在二维结构如五层石墨烯中，电子行径空间受到极大截止。团队意志到，电子在这种情况下必须通过量子关联以及当然拔除来相互作用。当物理学家将电子间相互作用加入表面后，发现这一表面准确揣度了 Ju 不雅察到的五层石墨烯中的波函数污蔑。

当表面揣度与推行不雅测一致后，参议团队以此为基础，找出了五层石墨烯等分数电荷产生的机制。

他们发现，五层石墨烯的莫尔枚举（每层碳原子晶格枚举在另一层和氮化硼上）激发了一个眇小的电势。当电子穿过这一电势时，它们酿成了一种晶体，即周期性的枚举，这种晶体截止了电子的瓦解，并迫使它们通过量子关联相互作用。这种电子之间的“拉锯战”酿成了一种可能的物理态云，每个电子云与晶体中的其他电子云相互作用，产生了一种量子关联的波函数形状，从而酿成了电子分数惬心的基础。

“这种晶体具有一整套不同于泛泛晶体的罕见性质，并为畴昔参议提倡了很多山外有山的问题，”Todadri 说说念。“从短期来看，这一机制为意会五层石墨烯中电子分数惬心的不雅察收尾提供了表面基础，并为揣度具有类似物理特质的其他系统奠定了基础。”

这项参议部分由好意思国国度科学基金会和 Simons 基金会资助。

https://news.mit.edu/2024/how-can-electrons-can-split-into-fractions-1118