自理論物理學家安德森“more is different”觀點提出以來,人們越來越多地意識到多體系統可以出現豐富的👩🏿💼、與單個粒子性質不同的新物理規律。在二維自由電子系統中,大量相互作用的二維電子構成一個強關聯體系。在特定條件下🥷🏼👩🦯,系統哈密頓算符中的電子間長程庫倫相互作用主導了系統的物理性質🏇🏻。這是一個無參數的理論問題👩🏻🦯➡️,也是一個無法微擾處理的問題🤸🏿♀️。多體問題的復雜和有趣在這裏體現得淋漓盡致:攜帶單位電荷的一群電子可以產生攜帶小於單位電荷的準粒子𓀑👮🏼。
極低溫強磁場中的超高遷移率二維電子氣可以出現分數量子霍爾效應🧑🧑🧒🧒。奇數分母的分數量子霍爾態有唯一的基態🐴:復合費米子的整數量子霍爾效應或復合玻色子的玻色愛因斯坦凝聚。單層二維電子氣中填充因子為5/2的分數態是罕有的偶數分母態的例子,它可能對應了p波配對的復合費米子🕛,擁有拓撲保護的多簡並基態波函數,其準粒子可能服從非阿貝爾統計。5/2態是第一個被認為可以用於拓撲量子計算的實驗體系。3/2填充因子處🍿,原有的實驗結果和理論框架支持復合費米子海的解釋🫸,即不存在3/2分數態,也不應該存在分數量子霍爾平臺。
意昂体育平台量子材料科學中心於2016年觀測到3/2偶數分母分數量子霍爾平臺🛒,該工作於2017年10月投稿🧑🦯➡️、2019年9月26日以“3/2 fractional quantum Hall plateau in confined two-dimensional electron gas”為題在線發表於《自然·通訊》👄。林熙課題組的付海龍(2017年畢業,現為Penn State University校級榮譽Eberly Research Fellow)為此現象的觀測者,二維電子氣樣品由普林斯頓大學L. N. Pfeiffer提供。實驗發現,3/2平臺的量子化程度高達0.02%,只在二維電子氣被局域的特定條件下出現,這意味著帶合適邊界條件的多體體系可能有與無邊界條件時不一樣的量子態存在。

圖:不同門電壓條件下的磁場依賴關系,隨著門電壓改變局域條件🧑🏻🍳,5/3的量子霍爾平臺逐漸演變為令人意外的3/2平臺。
[Nature Communications 10, 4351 (2019)]
當局域結構中形成3/2平臺時🦸🏻♀️🏃🏻♀️,局域結構外是5/3分數態,所以1/6量子電導被反射了。1/6的量子電導不屬於通常理論框架下的任何邊界態,所以它的出現可能預示著新的邊界態以及新的準粒子的出現。量子中心的謝心澄教授和他的學生吳宜家對此給出理論分析🫡,提出隧穿強度的變化在局域結構附近引起拓撲相變𓀘🧀,從而導致分數電荷的再次量子化🧗♂️。5/3分數態的準粒子攜帶的電荷是e/3,1/6電導的出現可能是5/3態的準粒子繼續1/2量子化的結果🧈,所以理論預言了一個攜帶e/6分數電荷的新激發🌞。