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既非玻色子,也非费米子 新型准粒子“分数激子”发现
发布日期:2025-01-12 00:24:47  稿源:科技日报

美国布朗大学物理学家在一项新研究中观察到一种名为“分数激子”的新型量子粒子,既不属于玻色子,也不属于费米子,而是介于两者之间的粒子类型。这一发现或将极大拓展科学家对量子领域的认知。相关论文发表于最新一期《自然》杂志。


研究人员表示,这种新粒子不携带整数电荷,却遵循独特的量子统计规律。其最令人振奋之处在于解锁了一系列物质的新量子相,为科学研究开辟了新前沿,深化了基础物理的理解,并为量子计算带来了新可能。

研究聚焦于分数量子霍尔效应,该现象基于经典霍尔效应,即将磁场施加到有电流的材料上以产生横向电压。量子霍尔效应发生在极低温度和极高磁场下,这种横向电压以清晰且独立的跳跃方式增加。而在分数量子霍尔效应中,这种增加方式变得更为奇特,仅为电子电荷的一小部分。

实验中,研究人员构建了由两层二维纳米材料石墨烯组成的结构,中间隔有六方氮化硼绝缘晶体。这种设置使他们能够精确控制电荷运动,还能生成被称为激子的粒子,这些粒子由一个电子和空穴结合而成。然后,在比地球磁场强数百万倍的极强磁场中,研究人员观察到了新型分数激子,这些激子表现出异常行为。

通常,基本粒子分为玻色子和费米子两类。玻色子能共享相同量子态,而费米子则遵循泡利不相容原理,即两个费米子不能占据同一量子状态。然而,实验中观察到的分数激子并不能完全归入这两类中的任何一类。它们虽具有预期的分数电荷,但行为却同时表现出玻色子和费米子的特征,类似两者的杂合体,介于两者之间的粒子类型——任意子,但又具有独特属性。

这种出乎意料的行为表明,分数激子可能代表了一类全新的、具有独特量子属性的粒子。研究表明,激子可以存在于分数量子霍尔体系中,并且其中一些激子是由带分数电荷的粒子配对产生的,形成了表现不像玻色子的分数激子。

研究人员指出,这类新型粒子未来或有助于改进量子层面的信息存储和处理方式,带来更快、更可靠的量子计算机。

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