中新社合肥5月6日電 (記者 吳蘭)記者6日從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校潘建偉、陸朝陽、陳明城教授等在國際上首次實現(xiàn)了光子的分數(shù)量子反常霍爾態(tài)。
相關(guān)成果以長文的形式近日發(fā)表在國際學術(shù)期刊《科學》(Science)上。
霍爾效應(yīng)由美國科學家霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用于電磁感測領(lǐng)域。1980年德國科學家馮·克利欽發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，1981年美籍華裔科學家崔琦和德國科學家施特默發(fā)現(xiàn)分數(shù)量子霍爾效應(yīng)。這兩個發(fā)現(xiàn)均獲諾貝爾物理學獎。
反常霍爾效應(yīng)是指無需外部磁場的情況下觀測到相關(guān)效應(yīng)。2013年，中國研究團隊觀測到整數(shù)量子反常霍爾效應(yīng)。2023年，美國和中國的研究團隊分別觀測到分數(shù)量子反常霍爾效應(yīng)。
“反常霍爾態(tài)是指不僅看到反常霍爾效應(yīng)這個現(xiàn)象，而且還挖掘到了產(chǎn)生這個現(xiàn)象的根源。”陸朝陽教授解釋道。
傳統(tǒng)的量子霍爾效應(yīng)實驗研究采用“自頂而下”的方式，即在特定材料的基礎(chǔ)上，利用該材料已有的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)實現(xiàn)制備量子霍爾態(tài)。通常情況下，需要極低溫環(huán)境、極高的二維材料純凈度和極強的磁場，對實驗要求較為苛刻。
人工搭建的量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、靈活可控，是一種“自底而上”研究復雜量子物態(tài)的新范式。這類技術(shù)被稱為量子模擬，是“第二次量子革命”的重要內(nèi)容，有望在近期應(yīng)用于模擬經(jīng)典計算困難的量子系統(tǒng)并達到“量子計算優(yōu)越性”。
據(jù)介紹，研究團隊利用基于自主研發(fā)的一種新型超導量子比特Plasmonium，并進一步在此系統(tǒng)中構(gòu)造人工規(guī)范場，從而獲得上述研究成果。這是利用“自底而上”的量子模擬方法進行量子物態(tài)和量子計算研究的重要進展。
在該項工作中，研究人員觀測到了分數(shù)量子霍爾態(tài)獨有的拓撲關(guān)聯(lián)性質(zhì)，驗證了該系統(tǒng)的分數(shù)霍爾電導，證實了準粒子的不可壓縮性質(zhì)。
諾貝爾物理學獎得主弗朗克·維爾切克(Frank Wilczek)認為，這是一個令人印象深刻的實驗，向基于任意子的量子信息處理邁出了重要一步。(完)