奇异的量子粒子和现象就像是世界上最大胆的精英运动员，就像自由的单人登山者在没有绳索或安全措施的情况下攀登不可能的陡峭悬崖一样，只有最极端的条件才会吸引他们出现。对于像超导性或携带一小部分电子电荷的粒子这样的奇异现象，就意味着极低的温度或极高的磁场。

但是，如果你能让这些粒子和现象在不太极端的条件下出现呢？室温超导的潜力已经得到了许多研究，但在低至零磁场下产生的奇异带电粒子对于量子材料和包括新型量子计算在内的应用的未来也同样重要。

现在，由哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)物理学和应用物理学教授Amir Yacoby和物理系物理学教授Ashvin Vishwanath领导的一组研究人员，他们与麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero合作，首次在扭曲的双层石墨烯中观察到低磁场下的奇异分数态。该研究发表在最近的《自然》杂志上。

该研究的资深作者Yacoby说：“凝聚态物理学领域的一个圣杯是获得具有低到零磁场的奇异粒子。有理论预测，我们应该能够在低到零磁场的情况下看到这些奇异的粒子，但直到现在还没有人能够观察到它。”

研究人员对一种被称为“分数陈绝缘体”的特定奇异量子态感兴趣。陈绝缘体是拓扑绝缘体，这意味着它们在表面或边缘导电，但在中间不导电。

在分数陈绝缘体中，电子相互作用形成所谓的准粒子，是一种从大量其他粒子间的复杂相互作用中产生的粒子。例如，声音可以被描述为准粒子，因为它是从材料中粒子的复杂相互作用中产生的。与基本粒子一样，准粒子具有明确定义的特性，如质量和电荷。

在分数陈绝缘体中，材料内的电子相互作用非常强，准粒子被迫携带一小部分正常电子的电荷。这些分数粒子具有奇异的量子特性，可用于创建强大的量子比特，这些量子比特对外部干扰具有极强的弹性。

为了制造绝缘体，研究人员使用了两片以“魔角”扭曲在一起的石墨烯。这种扭曲揭示了石墨烯的新的和不同的特性，其中包括超导性，这是由麻省理工学院的Jarillo-Herrero小组首次发现的。还有被称为陈能带的状态，它们具有产生分数量子态的巨大潜力，正如哈佛Vishwanath小组所展示的那样。

可以把这些陈能带想象成装满电子的水桶。Yacoby小组的研究生、该论文的共同第一作者Andrew T. Pierce说：“在之前的研究中，你需要一个大磁场来产生这些桶，这是获得这些奇异分数态粒子所需的拓扑构建块。但魔角扭曲双层石墨烯已经在零磁场下内置了这些有用的拓扑单元。”

为了产生分数态，研究人员需要用电子填充桶的一小部分。但这里有一个问题：要使其发挥作用，桶中的所有电子必须具有几乎相同的特性。而在扭曲的双层石墨烯中，它们并没有。在这个系统中，电子具有不同级别的被称为贝里曲率的特性，这使得每个电子都经历了与其特定动量相关的磁场。

当装满桶时，电子的贝里曲率需要均匀化，才能出现分数陈绝缘体态。这就是一个可以出现小的外加磁场的地方。

SEAS博士后研究员、论文的第一作者Yonglong Xie说：“我们表明，可以施加一个非常小的磁场，在系统中的电子间均匀分布贝里曲率，这使我们能够观察到扭曲双层石墨烯中的分数陈绝缘体态。这项研究阐明了贝里曲率在实现分数奇异态方面的重要性，并可能会指出贝里曲率不像扭曲石墨烯那样异质的替代平台。”

该研究的资深作者Vishwanath说：“扭曲的双层石墨烯是一种不断给予惊喜的礼物，分数陈绝缘体的这一发现可以说是该领域最重要的进步之一。想到这种神奇的材料最终是由与你的铅笔尖相同的材料制成的，这真是令人惊讶。”

麻省理工学院物理学教授、该研究的资深作者Jarillo-Herrero说：“魔角扭曲双层石墨烯中低磁场分数陈绝缘体的发现开启了拓扑量子物质领域的新篇章。它提供了将这些奇异态与超导耦合的现实前景，可能会创造和控制更奇异的被称为任意子的拓扑准粒子。”（编译:Qtech）