来源：MIT News | 这幅插图展示了在没有外部磁场的情况下，电子在原子级薄层的二碲化钼中感受到的一个新兴磁场。白色圆圈表示分数电荷的非阿贝尔任意子在交换位置。这一现象可能被用于创造量子比特，即未来量子计算机的基本构件。图片由 Fu 实验室提供。
MIT 物理学家展示了一种可能性，即创造一种可以操控的奇异物质形式，从而构建未来量子计算机的量子比特（qubit）基本模块。这些未来的量子计算机将比当前正在研发的量子计算机更强大。
这项研究基于去年发现的一类材料，这些材料中存在可以分裂为自身分数的电子，且重要的是，这一过程无需应用磁场。
电子分数化这一现象最早于 1982 年被发现，并因此获得诺贝尔奖。然而，当时的研究需要应用磁场。而如今，无需磁场即可生成分数化电子的能力，不仅为基础研究带来了新的可能性，也使这些材料在应用中更具实用价值。
当电子分裂为自身的分数时，这些分数被称为任意子（anyons）。任意子有多种类型或类别。2023 年发现的任意子被称为阿贝尔任意子（Abelian anyons）。而现在，在 10 月 17 日的 Physical Review Letters 中，MIT 研究团队指出，有可能创造最奇异的一类任意子——非阿贝尔任意子（non-Abelian anyons）。
“非阿贝尔任意子具有令人惊叹的能力，它们可以‘记住’自己的时空轨迹；这种记忆效应在量子计算中非常有用，”MIT 物理系教授、该研究的负责人 Liang Fu 表示。
Fu 进一步指出，“2023 年关于电子分数化的实验结果远远超出了理论预期。我的感受是，理论学家应该更加大胆一些。”
Fu 教授同时隶属于 MIT 材料研究实验室。他的研究团队成员包括MIT物理系的研究生 Aidan P. Reddy 和 Nisarga Paul，以及博士后 Ahmed Abouelkomsan。Reddy 和 Paul 是 Physical Review Letters 论文的共同第一作者。
这项研究以及两项相关研究也被 Physics Magazine 在 10 月 17 日的报道中提及。Ryan Wilkinson 在文章中写道：“如果这一预测得到实验验证，可能会导致更加可靠的量子计算机，这些计算机能够执行更广泛的任务……理论学家已经提出了一些方法，可以将非阿贝尔状态转化为可操作的量子比特，并操控这些状态的激发以实现稳健的量子计算。”
当前的研究受到了二维材料（仅由一层或几层原子组成的材料）领域最新进展的启发。“整个二维材料的世界非常有趣，因为你可以堆叠它们、扭转它们，像玩乐高一样组合出各种具有独特性质的层叠结构，”Paul 说。这些层叠结构被称为莫尔材料（moiré materials）。
任意子只能形成于二维材料中。那么，它们能否在莫尔材料中形成呢？2023 年的实验首次显示这是可能的。不久之后，由 MIT 物理系助理教授 Long Ju 领导的研究团队报告了另一种莫尔材料中的任意子证据。（Fu 和 Reddy 也参与了 Ju 的研究。）
在目前的研究中，物理学家们证明，在由原子级薄层二碲化钼组成的莫尔材料中，有可能生成非阿贝尔任意子。Paul 表示，“近年来，莫尔材料已经展现出许多迷人的物质相位，而我们的研究表明，非阿贝尔相位也可以被加入到这个列表中。”
Reddy 补充道，“我们的研究表明，当电子以每个晶胞 3/2 或 5/2 的密度添加时，它们可以组织成一种令人着迷的量子态，这种量子态能够容纳非阿贝尔任意子。”
Reddy 表示，这项工作令人兴奋，部分原因在于“通常在解读实验结果时会有微妙之处，这些结果究竟说明了什么，需要深入思考。所以思考我们支持非阿贝尔任意子的论点是很有趣的。”
Paul 说，“这个项目涵盖了非常具体的数值计算和非常抽象的理论，并将两者联系起来。我从我的合作者那里学到了很多有趣的主题。”
这项研究得到了美国空军科学研究办公室的资助。作者还感谢 MIT SuperCloud 和林肯实验室超级计算中心、卡夫利理论物理研究所、Knut 和 Alice Wallenberg 基金会以及西蒙斯基金会的支持。
原文链接：
https://news.mit.edu/2024/physicists-predict-exotic-form-matter-1118
