“睡衣條紋”干涉圖樣表示電子系統(tǒng)中存在任意子。圖片來(lái)源：James Nakamura and Michael Manfra

　　物理學(xué)家可能發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)無(wú)可爭(zhēng)議的證據(jù)，證明一種40多年前提出的不尋常準(zhǔn)粒子——任意子的存在。任意子是一個(gè)不斷增長(zhǎng)的準(zhǔn)粒子現(xiàn)象家族的最新一員，它不是基本粒子，而是固體器件中許多電子的集體激發(fā)態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)，可能為任意子未來(lái)在量子計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

　　“這看起來(lái)確實(shí)是一件大事。”英國(guó)牛津大學(xué)理論物理學(xué)家Steven Simon說(shuō)。該成果尚未經(jīng)過(guò)同行評(píng)議，近日發(fā)布在論文預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上。

　　已知的準(zhǔn)粒子表現(xiàn)出一系列奇特的行為。例如，磁單極子準(zhǔn)粒子只有一個(gè)磁極，不像普通磁體有北極和南極；另一個(gè)例子是馬約拉納準(zhǔn)粒子，它們是自己的反粒子。

　　任意子更是獨(dú)特。所有基本粒子都屬于兩種可能的類(lèi)型：費(fèi)米子和玻色子，但任意子都不是。當(dāng)兩個(gè)相同的費(fèi)米子交換空間位置時(shí)，它們的量子力學(xué)波會(huì)旋轉(zhuǎn)180度。當(dāng)玻色子交換位置時(shí)，它們的波不會(huì)改變。切換兩個(gè)任意子會(huì)產(chǎn)生某個(gè)中間角度的旋轉(zhuǎn)，這是一種被稱(chēng)為分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)的效應(yīng)。這種效應(yīng)不會(huì)發(fā)生在三維空間中，而只能在二維空間中以電子的集體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)形式出現(xiàn)。

　　當(dāng)兩個(gè)任意子切換了兩次位置時(shí)，它將在量子狀態(tài)下保留對(duì)該運(yùn)動(dòng)的記憶。這種記憶是科學(xué)家一直在尋找的分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)特性的明顯跡象之一。

　　分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)是任意子的定義屬性，美國(guó)普渡大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家Michael Manfra領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在最新研究中第一次明確測(cè)量到它。

　　Manfra團(tuán)隊(duì)制造了一種由砷化鎵和砷化鋁鎵薄層構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)限制了電子在二維方向上的移動(dòng)，同時(shí)屏蔽了裝置其他部分雜散電荷的影響。然后，研究人員將其冷卻到比絕對(duì)零度高萬(wàn)分之一，并加入了強(qiáng)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生了一種被稱(chēng)為 “分?jǐn)?shù)量子霍爾”（FQH）絕緣體的物質(zhì)狀態(tài)，這種狀態(tài)具有特殊性，即電流不能在二維裝置內(nèi)部運(yùn)行，但能沿著其邊緣流動(dòng)。FQH絕緣體可以容納準(zhǔn)粒子，這些準(zhǔn)粒子的電荷不是電子電荷的倍數(shù)，而是1/3，這些準(zhǔn)粒子一直被懷疑是任意子。

　　為了證明它們確實(shí)是任意子，該團(tuán)隊(duì)對(duì)該裝置進(jìn)行了蝕刻，使電流能夠沿著兩種可能的邊緣路徑從一個(gè)電極向另一個(gè)電極傳輸。研究人員通過(guò)改變磁場(chǎng)和增加電場(chǎng)來(lái)改變條件。因?yàn)橐苿?dòng)的任意子有兩種可能的路徑，每種路徑都會(huì)在其量子力學(xué)波中產(chǎn)生不同的扭曲，當(dāng)任意子到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，它們的量子力學(xué)波會(huì)產(chǎn)生一種被稱(chēng)為“睡衣條紋”的干涉圖樣。

　　這種圖樣顯示了兩條路徑之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)量是如何隨著電壓和磁場(chǎng)強(qiáng)度變化而變化的。但干涉也顯示出跳躍，這是任意子在大部分材料中出現(xiàn)或消失的確鑿證據(jù)。

　　“據(jù)我所知，這是對(duì)任意子的一個(gè)非常可靠的觀察——直接觀察它們的定義屬性：當(dāng)一個(gè)任意子圍繞另一個(gè)任意子運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們就會(huì)積累一個(gè)分?jǐn)?shù)相。”Simon說(shuō)。

　　但一些理論物理學(xué)家認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)中的證據(jù)雖引人注目，但并不是決定性的。“在很多情況下，有幾種解釋實(shí)驗(yàn)的方法。”德國(guó)萊比錫大學(xué)物理學(xué)家Bernd Rosenow說(shuō)，如果得到證實(shí)，Manfra團(tuán)隊(duì)報(bào)告的證據(jù)將是明確的。

　　相關(guān)論文信息：https://arxiv.org/abs/2006.14115