“睡衣情节”表明量子世界比我们想象的还要陌生

普渡大学的一组科学家报道了电子形成“准粒子”的集体行为的新实验证据。

任何子都具有其他亚原子粒子中未见的特征，包括表现出分数电荷和分数统计，这些分数和分数统计通过诱导量子机械相变来维持其与其他准粒子相互作用的“记忆”。

博士后研究助理詹姆斯·中村（James Nakamura）在研究小组成员双良和杰弗里·加德纳（Geoffrey Gardner）的协助下，在迈克尔·曼夫拉（Michael Manfra）教授的实验室工作时发现了这一发现。Manfra是物理学和天文学的杰出教授，普渡大学的Bill和Dee O'Brien物理学和天文学的讲座教授，电气和计算机工程学教授以及材料工程学教授。曼夫拉说，尽管这项工作最终可能最终与量子计算机的发展有关，但它仍被认为是理解准粒子物理学的重要一步。

关于这一发现的研究论文发表在《自然物理学》上。

普渡大学的一组科学家发现了被称为“任意子”的准粒子的实验证据。实验中的电干扰创造了一种模式，研究人员称这种模式为“睡衣情节”。干扰模式的跳跃是存在任何正态信号的标志。

麻省理工学院物理学教授，诺贝尔化学奖得主，理论物理学家弗兰克·威尔泽克（Frank Wilczek）称这些准粒子为“舌头”，因为它们的行为奇特，因为与其他类型的粒子不同，当它们的量子态出现时，它们可以采用“任何”量子相。交换位置。

在2020年出现任何正午证据之前，物理学家已经将已知世界中的粒子分为两类：费米子和玻色子。电子是费米子的一个例子，组成光和无线电波的光子是玻色子。费米子和玻色子之间的一个特征差异是，当粒子相互缠绕或编织时，粒子的行为如何。费米子以一种简单的方式作出反应，而玻色子以另一种预期的和直接的方式作出反应。

任何人的反应都好像是带分数电荷，甚至更有趣的是，当它们彼此编织时，会产生不平凡的相变。这可以使任何人都具有交互作用的“记忆”类型。

普渡大学的科学家已经宣布了新的实验证据，证明电子具有集体行为，形成称为“任意子”的“准粒子”。该团队能够通过将电子路由通过称为干涉仪的纳米级设备中特定的迷宫状蚀刻纳米结构来证明这种行为。

曼弗拉说：“在特殊情况下，Anons仅作为电子的集体激发而存在。”“但是它们确实具有这些明显的凉爽特性，包括分数电荷和分数统计。这很有趣，因为您认为，‘它们的电荷比电子的基本电荷少吗？’但是他们做到了。”

曼弗拉说，交换玻色子或费米子时，它们分别产生一个相乘正负一的相位因子。

他说：“就我们的正午而言，编织产生的相π位是2/3。”“这与自然界以前所见的有所不同。”

中村说，任何人都只能以集体电子的形式显示这种行为，其中许多电子在非常极端和特定的条件下表现为一个电子，因此认为它们在自然界中并不是孤立的。

他说：“通常在物理学世界中，我们会考虑质子和电子等基本粒子以及组成周期表的所有事物。”“但是我们研究了准粒子的存在，这些准粒子是由放置在某些极端条件下的电子海产生的。”

由于此行为取决于粒子相互编织或缠绕的次数，因此它们的性能比其他量子粒子更坚固。该特性之所以被称为拓扑特性，是因为它取决于系统的几何形状，并且最终可能导致可用于构建稳定的拓扑量子计算机的更为复杂的Anyon结构。

该团队能够通过使电子通过由砷化镓和砷化铝镓制成的特定迷宫状蚀刻纳米结构来证明这种行为。这种称为干涉仪的设备将电子限制在二维路径中移动。将该设备冷却到绝对零值（10毫ikelvin）的百分之一度以内，并受到强大的9-Tesla磁场的影响。干涉仪的电阻产生了一种干涉图样，研究人员将其称为“睡衣图”。干扰模式的跳跃是存在任何正态信号的标志。

加州大学圣塔芭芭拉分校理论物理学家Chetan Nayak表示：“这绝对是实验物理学中要做的更复杂和复杂的事情之一。”

中村说，普渡大学的设施为这一发现的发生创造了环境。

“我们拥有实现我们的电子系统所需的生长砷化镓半导体的技术。我们在伯克纳米技术中心拥有纳米制造设施，可以制造干涉仪，该干涉仪是我们在实验中使用的设备。在物理部门，我们具有测量超低温并产生强磁场的能力。”他说。“因此，我们拥有所有必要的组件，使我们能够在Purdue进行此发现。对于在这里进行研究以及为什么我们能够取得这一进展，这是一件很棒的事情。”

曼弗拉说，准粒子前沿的下一步将涉及制造更复杂的干涉仪。

他说：“在新的干涉仪中，我们将能够控制腔室内准粒子的位置和数量。”“然后，我们将能够根据需要更改干涉仪内部的准粒子数量，并根据我们的选择更改干涉图样。”

参考：自然村，J。Nakamura，S。Liang，G。C. Gardner和M. J. Manfra于2020年9月3日提出的“直接观察非离子编织统计数据”。DOI：
10.1038 / s41567-020-1019-1

这项研究得到了美国能源部科学办公室，基础能源科学办公室的资助，编号为DE-SC0020138。