文章来源：FUTURE | 远见
近期，布朗大学J. I. A. Li研究小组在激子与FQHE共存的研究中取得了新的突破。该团队通过在分数量子霍尔效应态中探测激子的配对行为，发现了两种新型的量子物态。该相关成果发表在国际知名期刊Nature上。
研究背景
激子是由电子和空穴组成的库伦驱动束缚态，广泛存在于各种半导体和量子材料中，因其在光电转换、激光器、光探测器等领域的潜在应用而受到广泛关注。传统的激子通常由整数电荷的电子和空穴构成，而在某些特殊的量子材料中，激子可能表现出分数电荷特性，特别是在分数量子霍尔效应（FQHE）系统中。与传统的激子相比，这些分数激子不仅表现出不同的电荷分布，还遵循非玻色的量子统计，挑战了传统的激子凝聚体理论。然而，尽管理论上已有许多关于分数激子的预测，实验上的验证仍然存在较大挑战，因此这一领域的研究依然是科学界的热点。
研究内容
为了解决这一问题，布朗大学J. I. A. Li研究小组在激子与FQHE共存的研究中取得了新的突破。该团队通过在分数量子霍尔效应态中探测激子的配对行为，发现了两种新型的量子物态。首先，他们设计了在总整数填充因子下的完美拖曳实验，观察到激子凝聚体的存在，证实了激子在低温下形成凝聚体的现象。更重要的是，研究人员还在远离整数填充因子的情况下，发现了两类新的FQHE态，这些态表现出完美的拖曳响应，表明它们涉及分数激子的配对。其中，一类对应的是激子凝聚体的分数对应体，而另一类则与复合费米子态相对应，展现出具有分数统计的激子准粒子。
通过这项研究，研究团队不仅验证了分数激子理论，还揭示了激子在FQHE状态中的新型量子物理行为。这些发现为理解分数激子的性质及其与量子霍尔效应的关系提供了新的视角，也为未来在量子计算和拓扑量子物理等领域的应用奠定了理论基础。此外，这些研究为探索新型量子物态及其实际应用提供了重要的实验支持，具有广泛的前瞻性和应用价值。
图文解读
（1）实验首次在分数量子霍尔效应（FQHE）态中观测到激子配对，得到了激子配对的传输特征和新型量子物态的发现。
（2）实验通过测试在不同层不平衡下的拖曳响应，揭示了两种新的量子相。第一种新相是分数对应体的激子凝聚体，出现在总填充因子为1时；第二种新相涉及一种特殊的激子，它遵循非玻色统计，类似费米子或任何子，挑战了传统玻色激子的模型。
（3）实验还发现了与激子相关的FQHE新序列，揭示了层间激子在FQHE状态中的重要作用。通过构建和分析激子形成的FQHE序列，证明了激子配对能够在特定的填充因子下表现出分数统计，且激子准粒子行为与复合费米子态密切相关。
图1 | 激子配对与双组件FQHE。
图2 | 由层间激子定义的FQHE新序列。
图3 | 构建含激子的FQHE序列。
图4 | 来自该序列的分数激子。
结论展望
本文的研究揭示了电荷中性模式，尤其是层间激子，在分数量子霍尔效应（FQHE）中的关键作用，进一步拓宽了对多组分电子系统的理解。通过首次实验观察到激子配对现象，并发现层间激子的存在不仅能推动传统玻色-爱因斯坦凝聚体的研究，还可能催生遵循非玻色统计的新型激子，这一发现为量子物态的探索提供了全新的视角。实验结果表明，激子与FQHE的共存能够引发新的量子相，特别是在分数填充因子下的激子行为，极大丰富了量子物态的多样性。除此之外，研究也提示我们，电荷分数化不仅仅局限于准粒子的电荷结构，还可能对它们的统计性质、相互作用及所形成的电子秩序产生深远影响。未来的研究将能够进一步揭示这种复杂行为，推动对多组分量子系统的深入理解，并为新型量子材料和器件的设计开辟新的研究方向。
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08274-3
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