“量子动物园”中，科学家们刚刚发现了十几个新“物种”——

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描述量子物质以及大量电子相互作用时出现的奇异现象的量子态似乎多得无穷无尽。几十年来，其中许多量子态仅存在于理论层面：它们是数学和计算上的预测，可能隐匿于现实材料之中——许多科学家开始将其称为一个“动物园”，新的“物种”正等待着被发现和描述。

在4月3日以“Hidden states and dynamics of fractional fillings in twisted MoTe2bilayers”为题发表于《Nature》杂志的一项新研究中，研究人员为这个不断壮大的量子“动物园”增添了十几种量子态。“其中一些量子态此前从未被观测到过，”该研究的主要作者、哥伦比亚大学纳米科学霍华德家族讲席教授Xiaoyang Zhu表示，“而且我们也没想到会发现这么多。”

在这些量子态中，有些可用于制造目前仅存在于理论中的拓扑量子计算机。拓扑量子计算机将具备独特的量子特性，使其不像目前用超导材料制造的量子计算机那样容易出错。超导材料会受到磁体的干扰，而此前人们一直试图利用磁体来创造下一代（尚未实现）量子计算机所需的拓扑态。Xiaoyang Zhu的“动物园”解决了这个问题：由于一种名为扭曲二碲化钼的材料具有特殊性质，他和他的团队发现的这些量子态都可以在不使用外部磁体的情况下产生。

从量子历史的长廊说起

Xiaoyang Zhu及其团队发现的一些新量子态背后的现象可能与霍尔效应有关。经典霍尔效应于1879年被发现，它描述了当金属条中的电子暴露在磁场中时，会如何聚集在金属条的边缘；磁场越强，金属两端的电压差就越大。当电子在超低温和二维环境中（量子力学效应最容易被观测到）暴露于磁场时，电压的变化不再与磁场成正比；电压不再呈线性增加，而是变得量子化，以与电子电荷（已知最小电荷的粒子）相关的阶梯形式跳跃。

这些量子阶梯可以进一步分解为更小的阶梯，形成电荷为电子电荷分数的量子态，如-1/2、-2/3、-1/3等等；因这一发现，哥伦比亚大学名誉教授Emeritus Horst Stormer于1998年获得了诺贝尔物理学奖。

Stormer在他的诺贝尔奖演讲中解释道，这种“分数量子霍尔效应”是量子力学中一种有悖直觉的奇特现象：“这意味着许多电子协同作用可以产生电荷小于任何单个电子电荷的新粒子。这与我们的常规认知不同……但我们可以确定的是，这些电子都没有分裂成碎片。”

几十年来，研究人员一直在寻找分数量子霍尔效应，并且已经在多种不同材料中发现了它。2023年取得了重大进展，华盛顿大学物理学家、哥伦比亚大学能源部可编程量子材料能源前沿研究中心（ProQM）成员Xiaodong Xu，在经过扭曲形成所谓莫尔图案的二碲化钼层中发现了一种反常（即无磁）分数量子霍尔效应。Xiaodong Xu的发现得到了康奈尔大学的实验支持以及上海交通大学的研究结果印证。

Xiaoyang Zhu解释说，Xiaodong Xu的研究由他的博士生Jiaqi Cai和Heonjeoon Park主导，并发表在同样刊登于《Nature》杂志的两篇论文中，揭示了两种备受期待的分数量子反常霍尔（FQAH）态。更多的发现还在后头。

奥秘在于……

ProQM团队一直在研究且经常使用的材料是莫尔材料，它们是由各种元素组成的原子薄层，彼此之间有微小的扭曲。其结果是形成一种蜂窝状图案，具有单层材料或从中剥离出这些薄层的块状晶体所不具备的特性。

当二碲化钼层被扭曲时，它们会呈现出拓扑性质。这意味着其中的电子会以特定的排列方式存在，促使它们结合成一个更大的整体，而这个整体又能违反直觉地分解成分数量子霍尔电荷。这种扭曲还会产生一个内部磁场，从而无需外部磁体。

就在去年夏天，哥伦比亚大学马克斯·普朗克纽约市中心博士后研究员、当前这篇论文的主要作者Yiping Wang从Xiaodong Xu的实验室获得了一个样本。Xiaoyang Zhu当时正在外出旅行，Yiping Wang决定用共同作者、西蒙斯研究员Eric Arsenault开发的泵浦-探测光谱技术对其进行一些实验。她的屏幕上出现了许多峰值，对应着数十种分数电荷——其中包括理论上预测为构建拓扑量子计算机所需组成部分的分数电荷：即所谓的非阿贝尔任意子。

在他们的泵浦-探测方法中，一个激光脉冲“融化”材料中的量子态，然后第二个激光脉冲在量子态重新出现时检测介电常数的变化，介电常数是衡量电相互作用强度的指标。Arsenault的方法使用了一种极快的激光，能够分辨出众多分数能级之间的细微差异。“这一发现也确立了泵浦-探测光谱技术是迄今为止检测物质量子态最灵敏的技术，”Xiaoyang Zhu说。

图：量子“动物园”的一幅“地图”：在扭曲二碲化钼样本中出现的量子态。

除了在最低能量（即基态）下发现这些量子态外，该技术还能捕捉到它们变化时的细节。“感觉我们进入了一个新的维度——时间，来探索基态中的相关性和拓扑性质，”Yiping Wang说，“它们总是给我们带来惊喜，尤其是当我们让它们偏离平衡态时。”

现在，是时候精确弄清楚所有这些新量子态究竟是什么，以及它们最适合用于哪些方面了。“有太多的量子态了。我们希望这些研究结果和我们的技术能激励其他人去探索，”Xiaoyang Zhu说。

这确实是一个充满奥秘的“动物园”。

参考链接

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-025-08954-8

[2]https://phys.org/news/2025-04-quantum-zoo-scientists-dozen-species.html