奇異的量子粒子和現(xiàn)象只有最極端的條件才會出現(xiàn)。換句話說，必須具備極低的溫度或極高的磁場。人們已經(jīng)對室溫超導做了很多研究，但在弱磁場至零磁場下產(chǎn)生奇異的分數(shù)電荷粒子，對未來量子材料和應用同樣重要，包括新型量子計算。

這項研究的資深作者、哈佛大學工程與應用科學學院物理學和應用物理學教授阿米爾·亞科比說：“凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的目標之一是獲得磁場低到零的奇異粒子。有理論預測說，我們應該能看到這些弱至零磁場的奇異粒子，但此前還沒有人能觀察到它。”

研究人員從一種被稱為“分數(shù)陳絕緣體”的特殊量子狀態(tài)著手。陳絕緣體是拓撲絕緣體，這意味著它們在表面或邊緣導電，但在中間不導電。在分數(shù)陳絕緣體中，電子相互作用形成所謂的準粒子，這是一種從大量其他粒子之間復雜的相互作用中產(chǎn)生的粒子。和基本粒子一樣，準粒子也有明確的性質(zhì)，比如質(zhì)量和電荷。

在分數(shù)陳絕緣體中，材料內(nèi)部的電子相互作用非常強，準粒子被迫攜帶正常電子電荷的一小部分。這些分數(shù)粒子具有奇特的量子特性，可用于創(chuàng)建強大的量子比特，對外界干擾具有極強的彈性。

為了建造絕緣體，研究人員使用了兩片石墨烯，它們以所謂的“魔角”扭曲在一起。扭曲揭示了石墨烯新的、不同的性質(zhì)，包括超導性，以及被稱為“陳能帶”的狀態(tài)，這些狀態(tài)具有產(chǎn)生分數(shù)量子態(tài)的巨大潛力。

研究人員稱，這些陳能帶就像裝滿電子的水桶。為了產(chǎn)生分數(shù)態(tài)，研究人員需要在“水桶”中的一小部分裝滿電子。但只有當“桶”中的所有電子必須具有幾乎相同的性質(zhì)時，電子的貝里曲率變得均勻，才能出現(xiàn)分數(shù)的陳絕緣態(tài)。為此，研究人員添加了一個非常小的磁場，使電子之間均勻分布貝里曲率，從而能在扭曲的雙層石墨烯中觀察到分數(shù)的陳絕緣體。

研究人員表示，在魔角扭曲的雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了低磁場分數(shù)的陳絕緣體，開啟了拓撲量子物質(zhì)領(lǐng)域的新篇章。它提供了將這些奇異狀態(tài)與超導電性耦合起來的現(xiàn)實前景，可能會創(chuàng)造和控制更奇異的拓撲準粒子，也就是所謂的“任意子”。

總編輯圈點

諾貝爾物理學獎得主安德烈·海姆曾提出，幾千年的人類歷史，從瓷器時代、青銅時代、鐵器時代到如今硅與塑料的時代，每個時代都有其代表性材料，而下一種代表性材料是二維材料。確實，二維材料正在悄悄登上時代舞臺并大放異彩，其中的“頂流”就包括石墨烯。我們難以預測未來二維材料還會帶來哪些像“魔角扭曲的雙層石墨烯”產(chǎn)生的物理奇觀，但可以想到的是，在科技革命的浪潮中注定會有它們的身影。