去年五月，华盛顿大学西雅图分校的物理学家领导的一个团队观察到了一种奇特现象。当科学家们在两片原子厚度的钼二碲化物（MoTe2）薄膜中通入电流时，电子表现出协同行为，就像带有分数电荷的粒子一样。电阻测量显示，电子的行为与通常的-1电荷不同，它们的行为类似于带有-2/3或-3/5等分数电荷的粒子。真正奇怪的是，电子之所以这样做完全是由于材料的固有属性，而没有任何外部磁场的引导。研究人员几个月后在8月1日发表了研究结果。

同月，这种现象，被称为分数量子异常霍尔效应（FQAHE），也在一种完全不同的材料中被观察到。麻省理工学院（MIT）剑桥分校的凝聚态物理学家巨龙领导的一个团队在将五层石墨烯夹在氮化硼片之间时看到了这种效应。他们在今年的2月份发表了他们的研究结果——物理学家们对此仍然议论纷纷。

在美国物理学会（APS）3月会议上，该会议于3月3日至8日在明尼苏达州明尼阿波利斯举行，巨龙展示了团队的研究结果，这些结果尚未被其他研究者复现。包括纽约市哥伦比亚大学的理论物理学家拉克尔·奎罗兹（Raquel Queiroz）在内的与会者表示，他们认为这些结果令人信服，但对这一发现感到困惑。奎罗兹说：“我们还有很多不了解的地方。”她补充说，弄清楚层状石墨烯中FQAHE的确切机制将是“理论家们面前的大量工作”。

尽管FQAHE在未来可能有实际应用——分数电荷粒子是某种类型量子计算机的关键要求——但这些发现之所以能吸引物理学家的想象，是因为它们从根本上是关于电子行为的新的发现。

麻省理工学院的凝聚态物理学家帕布罗·哈里奥-埃雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）说：“对此没有人不感到兴奋。”他并未参与这些研究。他说：“问题不在于你是否足够兴奋以至于转变你的研究方向并开始研究它，而在于你是真的很兴奋。”

奇异数学

电子的奇怪行为并不是新现象。

在某些材料中，通常在接近绝对零度的温度下，电阻会变得量化。具体来说，就是材料的横向电阻会发生这种情况。（电流在流动过程中会遇到同方向的阻力——称为纵向电阻——以及垂直方向的阻力——称为横向电阻。）

横向电阻的量化“阶梯”以电子电荷的倍数出现：1、2、3等。这些平台是由一种奇怪的现象造成的：即使电荷密度增加，电子也保持相同的横向电阻。这有点像高速公路上的车辆即使交通量增加也以相同的速度行驶。这就是所谓的量子霍尔效应。

在一组不同材料中，无序程度较低时，横向电阻甚至可以显示出电子电荷分数的阶梯状平台：例如2/5、3/7和4/9。这些平台之所以取这些值，是因为电子集体行为就像带有分数电荷的粒子——因此得名分数量子霍尔效应（FQHE）。

这两种现象的关键是一个强大的外部磁场，它防止电子相互碰撞，并使它们能够相互作用。

（从左至右）巨龙、陆正光、姚宇轩和韩同航都是麻省理工学院团队的一员，他们在层状石墨烯中展示了FQAHE。

1982年发现的FQHE揭示了电子行为的丰富性。物理学家不再能将电子视为单个粒子；在微妙的量子安排中，电子可以失去个性并共同作用，形成带有分数电荷的粒子。“我认为人们没有意识到[分数]与整数量子霍尔效应有多么不同，”哈佛大学的理论物理学家阿什温·维什瓦纳特（Ashvin Vishwanath）说。“这是一个新世界。”

在接下来的几十年里，理论物理学家提出了模型来解释FQHE并预测其效果。在他们的探索中，出现了一个诱人的可能性：也许某种材料可以在没有任何外部磁场的情况下展现出电阻平台。这种效应，现在被称为量子异常霍尔效应——‘异常’是因为缺乏磁场——最终在2012年由北京清华大学的一个团队在薄的铁磁薄膜中观察到。

碳复制品

大约十年后，华盛顿大学团队首次报告了FQAHE1，在一种特别设计的二维材料中：两层MoTe2叠放在一起，并通过扭转偏移。

这种MoTe2的排列被称为摩尔材料。最初用来指代图案纺织品的术语，被物理学家借用来描述当原子薄的晶格堆叠并扭转或交错叠放时，在二维材料中形成的图案。材料不同层之间原子的轻微偏移改变了其电势的高低起伏。它实际上就像强大的磁场一样，取代了量子霍尔效应和FQHE所需的那个磁场。

华盛顿大学的凝聚态物理学家许晓栋在APS会议上谈到了MoTe2的发现。理论暗示，该材料在大约1.4º的扭转角度下会出现FQAHE。“我们花了一年时间，什么都没看到，”徐告诉《自然》杂志。

Source: Adapted from Ref. 2.

然后，研究人员尝试了一个更大的角度——大约4º的扭转。立刻，他们开始看到效应的迹象。最终，他们测量了电阻并发现了FQAHE的特征平台。不久之后，由上海交通大学的研究人员领导的一个团队复制了这些结果4。

与此同时，在麻省理工学院，巨龙正在完善他的技术，将石墨烯夹在硼氮化物层之间。与石墨烯类似，巨龙团队使用的硼氮化物薄片是由六边形模式连接在一起的原子网状结构。其晶格与石墨烯略有不同；这种不匹配创造了摩尔纹图案（见‘异常行为’）。

上个月，巨龙发表了一份报告2，关于看到特有的平台。“这是一个真正令人惊奇的结果，”徐说。“我很高兴看到有第二个系统。”从那以后，巨龙说他也在使用四层和六层石墨烯时看到了这种效应。

两种摩尔系统各有利弊。MoTe2在几个开尔文的温度下展示了这种效应，而层状石墨烯三明治则需要0.1开尔文。（低温是为了最小化系统中的无序性。）但石墨烯是一种更干净、质量更高的材料，更容易测量。实验家们现在正试图在石墨烯中复制这些结果，并寻找其他表现类似的材料。

超出预期的摩尔

理论家对MoTe2的结果相对满意，因为FQAHE在某种程度上是被预测到的。但巨龙的层状石墨烯摩尔让整个社区感到震惊，研究人员仍在努力解释这种效应是如何发生的。“没有一个普遍共识告诉我们正确的理论是什么，”维什瓦纳特说。“但他们都同意这不是标准的机制。”维什瓦纳特和他的同事们发布了一篇预印本，提出摩尔纹可能对FQAHE并不那么重要的理论5。

怀疑摩尔纹重要性的一个原因是材料中电子的位置：大部分活动发生在石墨烯的最顶层，远离最应该强烈影响电子的位于三明治底部的石墨烯和硼氮化物之间的摩尔纹。但是，普林斯顿大学的理论物理学家B. Andrei Bernevig，也是另一篇提出层状石墨烯FQAHE机制的预印本的共同作者6，敦促人们对基于理论的计算持谨慎态度，因为它们依赖于目前未经验证的假设。他说摩尔纹可能很重要，但不如在MoTe2中那么重要。

对于理论家来说，不确定性是令人兴奋的。“有人会说量子霍尔效应中的所有事物都已被观察到了，”维什瓦纳特说。但这些实验，特别是使用层状石墨烯摩尔的那个，表明还有更多的奥秘等待揭开。

分数量子霍尔效应是一种在低温强磁场条件下才能观察到的特殊物理现象，属于量子霍尔效应的一种。它涉及到二维电子气系统中的电子，在这些极端条件下，电子之间由于库仑相互作用形成了一种不可压缩的量子液体，展现出分数电荷。这种效应的发现，使得物理学者认识到宇宙中基本粒子的电荷并不局限于一个电子电荷的整数倍，而是可以带有分数电荷。

分数量子霍尔效应的研究获得了1998年诺贝尔物理学奖，由崔琦、霍斯特·路德维希·施特默和罗伯特·劳克林共同获得。劳克林提出的理论解释了这种效应的物理机制，即在强磁场下，电子之间的库仑相互作用导致形成一种不可压缩的量子液体，展现出分数电荷。

由于这不属于本人专业，可能存在低级错误的情况。

原文参考

Weird new electron behaviour in stacked graphene thrills physicists (nature.com)