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

　　物理學家可能發(fā)現(xiàn)了第一個無可爭議的證據(jù)，證明一種40多年前提出的不尋常準粒子——任意子的存在。任意子是一個不斷增長的準粒子現(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)，可能為任意子未來在量子計算機上的應用打下基礎。

　　“這看起來確實是一件大事。”英國牛津大學理論物理學家Steven Simon說。該成果尚未經(jīng)過同行評議，近日發(fā)布在論文預印本網(wǎng)站arXiv上。

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

　　任意子更是獨特。所有基本粒子都屬于兩種可能的類型：費米子和玻色子，但任意子都不是。當兩個相同的費米子交換空間位置時，它們的量子力學波會旋轉180度。當玻色子交換位置時，它們的波不會改變。切換兩個任意子會產(chǎn)生某個中間角度的旋轉，這是一種被稱為分數(shù)統(tǒng)計的效應。這種效應不會發(fā)生在三維空間中，而只能在二維空間中以電子的集體運動狀態(tài)形式出現(xiàn)。

　　當兩個任意子切換了兩次位置時，它將在量子狀態(tài)下保留對該運動的記憶。這種記憶是科學家一直在尋找的分數(shù)統(tǒng)計特性的明顯跡象之一。

　　分數(shù)統(tǒng)計是任意子的定義屬性，美國普渡大學實驗物理學家Michael Manfra領導的團隊在最新研究中第一次明確測量到它。

　　Manfra團隊制造了一種由砷化鎵和砷化鋁鎵薄層構成的結構。該結構限制了電子在二維方向上的移動，同時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零度高萬分之一，并加入了強磁場，從而產(chǎn)生了一種被稱為 “分數(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)部運行，但能沿著其邊緣流動。FQH絕緣體可以容納準粒子，這些準粒子的電荷不是電子電荷的倍數(shù)，而是1/3，這些準粒子一直被懷疑是任意子。

　　為了證明它們確實是任意子，該團隊對該裝置進行了蝕刻，使電流能夠沿著兩種可能的邊緣路徑從一個電極向另一個電極傳輸。研究人員通過改變磁場和增加電場來改變條件。因為移動的任意子有兩種可能的路徑，每種路徑都會在其量子力學波中產(chǎn)生不同的扭曲，當任意子到達終點時，它們的量子力學波會產(chǎn)生一種被稱為“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旋轉量是如何隨著電壓和磁場強度變化而變化的。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，這是對任意子的一個非常可靠的觀察——直接觀察它們的定義屬性：當一個任意子圍繞另一個任意子運動時，它們就會積累一個分數(shù)相。”Simon說。

　　但一些理論物理學家認為，實驗中的證據(jù)雖引人注目，但并不是決定性的。“在很多情況下，有幾種解釋實驗的方法。”德國萊比錫大學物理學家Bernd Rosenow說，如果得到證實，Manfra團隊報告的證據(jù)將是明確的。

　　相關論文信息：https://arxiv.org/abs/2006.14115