电流偏置下平衡FQHE状态的分裂。图片来源：Communications Physics （2024）。DOI： 10.1038/s42005-024-01759-7

想象一个二维的平原，而不是我们的三维世界，在那里，物理规则被颠覆了，像电子这样的粒子无视预期，揭示了新的秘密。这正是包括佐治亚州立大学物理学教授拉梅什·G·马尼（Ramesh G. Mani）和最近的博士毕业生U·库山·维杰瓦德纳（U. Kushan Wijewardena）在内的一组研究人员在佐治亚州立大学的实验室进行的研究。

他们的研究导致了最近发表在《通信物理学》杂志上的一项发现。该团队研究了分数量子霍尔效应（FQHE）的神秘世界，揭示了当这些系统以新的方式被探测并超越其通常的边界时，新的、意想不到的现象。

“几十年来，分数量子霍尔效应的研究一直是现代凝聚态物理学的一个主要焦点，因为平原上的粒子可以具有多种人格，并且可以根据需要表现出上下文依赖的人格，”Mani说。“我们的最新发现突破了这一领域的界限，为这些复杂系统提供了新的见解。

自 1980 年以来，量子霍尔效应一直是凝聚态物理学中一个充满活力和关键的领域，当时克劳斯·冯·克利辛 （Klaus von Klitzing） 报告了他的发现，即简单的电学测量可以为决定我们宇宙行为的一些基本常数提供非常准确的值。这一发现为他赢得了1985年的诺贝尔奖。

1998 年，诺贝尔奖因发现和理解分数量子霍尔效应而获得，该效应表明平原粒子可能具有分数电荷。随着石墨烯的发现，这一旅程继续进行，石墨烯这种材料显示了在平原上存在无质量电子的可能性，从而在2010年获得了另一个诺贝尔奖。

最后，与量子霍尔效应相关的物质新相理论在2016年获得了诺贝尔奖。

凝聚态物理学带来了一些发现，使手机、计算机、GPS、LED 照明、太阳能电池甚至自动驾驶汽车等现代电子产品成为可能。目前，平原科学和平原材料正在凝聚态物理学中进行研究，目的是实现更节能、更灵活、更快、更轻的未来电子产品，包括新型传感器、更高效率的太阳能电池、量子计算机和拓扑量子计算机。

GaAs/AlGaAs异质结构霍尔棒器件在T = 25 mK下的传输特性。a 对角线（R××××××××） 和偏离对角线霍尔 （RX、Y、） 电阻在 4 ≤ B ≤ 8 特斯拉之间表现出，对应于填充因子范围 2 ≤ ν ≤ 1，以突出可观察的 FQHE。bR××××××××和 RX、Y、展出全范围 0 ≤ B ≤ 8.5 特斯拉。cRX、Y、在 0 ≤ B ≤ 4.5 特斯拉之间的 IQHE 状态下，对于不同的直流偏置电流 （ID、C、） 介于 0 ≤ I 之间D、C、≤ 1 μA，步长为 ΔID、C、= 0.25 微安。迹线，表明 ID、C、不修改可观察的 IQHE（用水平线标记），为了清楚起见，沿横坐标偏移了 1 特斯拉。图片来源：Communications Physics （2024）。DOI： 10.1038/s42005-024-01759-7

在接近-459°F（-273°C）的极冷条件下，在比地球强近100,000倍的磁场下进行的一系列实验中，Mani，Wijewardena和同事开始工作。他们将补充电流应用于由砷化镓 （GaAs） 和铝镓砷化物 （AlGaAs） 材料的三明治结构制成的高迁移率半导体器件，这有助于在平原上实现电子。

他们观察到所有FQHE态都意外地分裂，然后是分裂分支的交叉，这使他们能够探索这些量子系统的新非平衡态，并揭示全新的物质状态。

该研究强调了由Werner Wegscheider教授和Christian Reichl博士在瑞士苏黎世联邦理工学院生产的高质量晶体在这项研究的成功中的关键作用。

“将分数量子霍尔效应的传统研究视为探索建筑物的底层，”Mani说。“我们的研究是关于寻找和发现较高楼层——那些令人兴奋的、未开发的楼层——并找出它们的样子。令人惊讶的是，通过一个简单的技术，我们能够进入这些较高楼层，并发现激发态的复杂特征。

Wijewardena去年在佐治亚州立大学获得物理学博士学位，现在是米利奇维尔佐治亚学院和州立大学的一名教职员工，他对他们的工作表示兴奋。

“多年来，我们一直在研究这些现象，但这是我们首次报告这些实验发现，这些实验发现是通过应用直流偏置诱导的分数量子霍尔态的激发态来实现的，”Wijewardena说。“结果令人着迷，我们花了相当长的时间才能对我们的观察结果有一个可行的解释。

该研究不仅挑战了现有的理论，而且提出了观察到的非平衡激发态FQHEs的混合起源。这种创新的方法和意想不到的结果凸显了凝聚态物理学领域新发现的潜力，激发了未来的研究和技术进步。

该团队的研究结果的影响远远超出了实验室，暗示了量子计算和材料科学的潜在见解。通过探索这些未知领域，这些研究人员正在为未来的技术奠定基础，并培训新一代的学生，这些技术可能会彻底改变从数据处理到能源效率的方方面面，同时推动高科技经济。

Mani、Wijewardena和他们的团队现在正在将他们的研究扩展到更极端的条件，探索测量具有挑战性的平原参数的新方法。随着他们的进步，他们预计会发现这些量子系统中的更多细微差别，为该领域提供宝贵的见解。通过每一次实验，团队都更接近于理解正在起作用的复杂行为，并对在此过程中出现新发现的可能性保持开放态度。

更多信息：U. Kushan Wijewardena 等人，通过电流偏置光谱观察到的非平衡激发态分数量化霍尔效应，通信物理学 （2024）。DOI： 10.1038/s42005-024-01759-7

期刊信息： Communications Physics