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萬物的基本組成成分是原子，即包含中子和質(zhì)子的原子核，加上電子在軌道上繞其運(yùn)行。但即使質(zhì)子和中子也由被稱為膠子和夸克的粒子所組成。另一方面，電子是基本粒子，這意味著它不是由更小的粒子組成的。但這并不一定意味著它不能被分成更小的部分。

根據(jù)2月21日在《自然》雜志上發(fā)布的一篇新論文，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家將電子分裂成幾個(gè)部分，這是一種被稱為“分?jǐn)?shù)電荷”的罕見現(xiàn)象。雖然這種現(xiàn)象幾十年前就已為人所知，但麻省理工學(xué)院分配電子的方法確實(shí)引起了一些人的注意。通常，為了獲得這種“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)持續(xù)存在的磁場(chǎng)。直到最近才在這些強(qiáng)大的磁場(chǎng)條件之外觀察到這種效應(yīng)。

在這項(xiàng)新研究中，科學(xué)家們觀察到了“分?jǐn)?shù)電荷”，所使用的材料就像幾層超薄石墨烯一樣簡(jiǎn)單，它本質(zhì)上就是二號(hào)鉛筆中的材料。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員以階梯狀的圖案堆疊了五層石墨烯，每層只有一個(gè)原子厚。

“這種五層石墨烯是一種材料系統(tǒng)，會(huì)帶來許多驚喜。”論文合著者、麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授居隆在一份新聞聲明中說，“分?jǐn)?shù)電荷是如此奇特，現(xiàn)在我們可以用一個(gè)更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，并且沒有磁場(chǎng)，卻使一種更加抗干擾的量子計(jì)算成為可能。”

他們將石墨烯薄層嵌在兩片氮化硼之間，氮化硼具有與石墨烯相似的原子結(jié)構(gòu)，使得電子相互作用更加強(qiáng)烈。這種配對(duì)創(chuàng)造了一種晶格，本質(zhì)上模仿了磁場(chǎng)的常見效應(yīng)。一旦配備了電極并冷卻到接近絕對(duì)零的溫度，研究小組就目睹了意想不到的“分?jǐn)?shù)電荷”。

“我們看到它時(shí)，一開始并沒有認(rèn)出它。”居教授說，“然后開始大喊，因?yàn)槲覀円庾R(shí)到這真的很重要。這是一個(gè)完全令人驚訝的時(shí)刻。”

根據(jù)麻省理工學(xué)院的新聞稿，這種排列允許電子僅攜帶一小部分電荷通過，從而在芯片石墨烯中產(chǎn)生第一個(gè)“分?jǐn)?shù)量子反常霍爾效應(yīng)”（這里的反常指“非磁性”）。

居隆解釋道，早在1982年，一個(gè)使用砷化鎵和磁鐵所做的實(shí)驗(yàn)中首次觀測(cè)到這種“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”，這一發(fā)現(xiàn)最終為三名研究人員贏得了1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。分?jǐn)?shù)電子電荷的發(fā)現(xiàn)是完全出乎意料的，當(dāng)時(shí)沒有理論可以解釋它。另外，為了實(shí)現(xiàn)第一個(gè)“分?jǐn)?shù)電荷”，研究人員當(dāng)時(shí)使用了比核磁共振成像（MRI）機(jī)器強(qiáng)10倍的磁場(chǎng)。

直到2023年7月，第一個(gè)研究小組才利用二碲化鉬扭曲半導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)了非磁性分?jǐn)?shù)電荷，現(xiàn)在石墨烯也加入了這個(gè)“異常”名單。發(fā)現(xiàn)更多像石墨烯這樣具有類似效果的材料可能會(huì)給量子計(jì)算帶來好處，因?yàn)檫@種現(xiàn)象可以在計(jì)算過程中為量子位提供額外的抗干擾保護(hù)。