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中新網(wǎng)上海9月28日電 (記者 許婧)記者從28日舉行的上海交通大學李聽昕、劉曉雪團隊“分數(shù)量子反?；魻栃?yīng)”成果新聞發(fā)布會上獲悉，上海交通大學李聽昕、劉曉雪團隊發(fā)現(xiàn)并驗證零磁場條件下分數(shù)量子反常霍爾效應(yīng)的存在的成果發(fā)表在物理學研究領(lǐng)域的著名期刊《物理學評論X》上，并被重點推薦。

這一成果在該領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)了突破性的進展，而且團隊通過原創(chuàng)的新型器件的制備方法為后續(xù)的一系列研究鋪平了道路。該研究開啟了零磁場條件下研究分數(shù)電荷激發(fā)、任意子統(tǒng)計等新奇物性的大門，為拓撲量子計算等研究提供了新的可能與機遇。

近日，上海交通大學李聽昕、劉曉雪團隊發(fā)現(xiàn)并驗證零磁場條件下分數(shù)量子反常霍爾效應(yīng)的存在的成果發(fā)表在物理學研究領(lǐng)域的著名期刊《物理學評論X》上，并被重點推薦。 上海交大供圖

凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的量子霍爾效應(yīng)的相關(guān)研究曾經(jīng)三獲諾獎，一次是二維電子系統(tǒng)中量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，另一次是分數(shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。但是這兩次發(fā)現(xiàn)都是在強磁場情況下產(chǎn)生的現(xiàn)象，還有一次則是與量子霍爾效應(yīng)相關(guān)的理論發(fā)現(xiàn)。

美國科學家霍爾(Edwin Hall)在1879年研究金屬的導(dǎo)電機制時發(fā)現(xiàn)，給一塊導(dǎo)體施加電流和一個垂直于電流方向的磁場，產(chǎn)生了“霍爾電壓”，該效應(yīng)被稱為霍爾效應(yīng)。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的霍爾傳感器，在速度傳感等方面至今應(yīng)用廣泛。

1980年初，德國物理學家K. von Klitzing在研究二維電子系統(tǒng)的霍爾電阻時，發(fā)現(xiàn)極低溫和強磁場的極端條件下，樣品的霍爾電阻出現(xiàn)了一系列量子化的平臺，并且縱向電阻會相應(yīng)呈現(xiàn)出零電阻態(tài)。這一現(xiàn)象被稱之為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。

后來，理論物理學家意識到，必須要利用數(shù)學中的拓撲理論，將拓撲的概念引入物理研究，才能完整理解整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，由此開啟了拓撲物理研究時代。整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，也成為人類發(fā)現(xiàn)的第一種拓撲量子物態(tài)。

通常，真空中的電子總是帶整數(shù)的電荷數(shù)，不可能出現(xiàn)帶分數(shù)的電荷；上海交大物理與天文學院副教授李聽昕說，在后來驚人發(fā)現(xiàn)的分數(shù)量子霍爾效應(yīng)中，一個電子就好像可以分裂成三份，每一份都帶1/3電荷。可以說，分數(shù)量子霍爾效應(yīng)是本質(zhì)上不同于整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的強關(guān)聯(lián)量子物態(tài)，是一種奇異的量子流體，成為拓撲量子計算的重要候選方案之一。

然而，有正常效應(yīng)，就可能有反常效應(yīng)。美國理論物理學家D. Haldane在1988年計算得出：可以出現(xiàn)零磁場下的整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，后來被稱作：量子反?；魻栃?yīng)。這一理論工作也是他獲得2016年諾貝爾物理學獎的代表性工作之一。

近年來，基于二維材料莫爾超晶格系統(tǒng)，國際國內(nèi)的研究者們在有關(guān)分數(shù)量子反?；魻栃?yīng)的理論和實驗研究方面開展了大量探索，最終將目光聚焦到轉(zhuǎn)角MoTe2體系。今年4-5月，美國華盛頓大學Xiaodong Xu研究團隊和美國康奈爾大學Kin Fai Mak，Jie Shan研究團隊分別獨立地報道了轉(zhuǎn)角MoTe2中存在有分數(shù)量子反常霍爾態(tài)的跡象。但光學測量手段一般難以給出分數(shù)量子反常霍爾效應(yīng)存在的直接確鑿證據(jù)。

最近，李聽昕、劉曉雪團隊(實驗)與美國田納西大學張陽團隊(理論)合作，在分數(shù)量子反?；魻栃?yīng)研究方面取得了突破性進展。他們設(shè)計制備了新型轉(zhuǎn)角MoTe2莫爾超晶格器件，通過開展電學輸運實驗，直接觀測到分數(shù)量子反常霍爾效應(yīng)存在的確鑿證據(jù)，該工作是國際上同期兩個獨立實驗工作之一(另一實驗工作由美國華盛頓大學Xiaodong Xu研究團隊完成)。

該工作得到了審稿人的高度評價，被認為是領(lǐng)域內(nèi)的突破性進展，且原創(chuàng)的新型器件制備方法為后續(xù)一系列圍繞分數(shù)量子反?；魻栃?yīng)的研究鋪平了道路。該研究開啟了零磁場條件下研究分數(shù)電荷激發(fā)、任意子統(tǒng)計等新奇物性的大門，為拓撲量子計算等研究提供了新的可能和機遇。

本工作獲得了科技部、基金委，上海市科委等項目的資助。極低溫測量部分在中國科學院綜合極端條件實驗裝置完成，本論文的合作者還包括上海交通大學物理與天文學院賈金鋒院士，姜生偉副教授和史志文教授。(完)

【編輯:陳文韜】