博士生和主要作者Haoyun Huang被Gabor Csathy认为是构思，领导测量并撰写了大部分手稿。图片来源：布莱恩·鲍威尔
如果分数量子霍尔制度是一系列高速公路，那么这些高速公路将有两条或四条车道。双通量或四通量复合费米子的流动，就像汽车在这个两到四通量复合费米子交通场景中一样，自然地解释了在各种宿主材料中形成的90多个分数量子霍尔态。然而，普渡大学的物理学家最近发现，分数量子霍尔状态并不局限于双通量或四通量，并且发现了一种新型涌现粒子的存在，他们称之为六通量复合费米子。
他们最近在《自然通讯》上发表了他们的突破性发现。
普渡大学科学学院物理与天文学系教授兼系主任Gabor Csathy与博士生Haoyun Huang，Waseem Hussain和最近的博士毕业生Sean Myers一起领导了这一发现。Csathy 认为主要作者 Huang 构思并领导了测量，并撰写了大部分手稿。所有的超低温测量都是在Csathy的物理大楼实验室完成的。他的实验室对强相关电子物理学进行研究，有时也称为拓扑电子物理学。
电子的弱相互作用是公认的，并且行为是相当可预测的。当电子相互作用较弱时，电子通常被认为是整个系统的天然组成部分。但是，当电子强烈相互作用时，通过考虑单个电子来解释系统行为几乎是不可能的。
“这种情况发生在极少数情况下，例如在我们研究的分数量子霍尔状态中，”Csathy说。“为了解释分数量子霍尔态，复合费米子是一个非常直观的基本构建块，有不同的风格。它们可以解释分数量子霍尔态的整个子集。但是，所有完全发展的（即拓扑保护的）分数量子霍尔态只能用两种类型的复合费米子来解释：双通量和四通量复合费米子。
“在这里，我们报告了一种新的分数量子霍尔态，它不能用这些先前的想法来解释。相反，我们需要调用一种新型涌现粒子的存在，即所谓的六通量复合费米子。新的分数量子霍尔态的发现是稀缺的。然而，在凝聚态物理学中发现一种新的涌现粒子确实是罕见和惊人的。
目前，这些想法将用于扩展我们对已知分数量子霍尔态的排序的理解，使其成为“元素周期表”。特别值得注意的是，涌现的复合费米子粒子是独一无二的，因为电子捕获了六个量子化的磁通量量子，形成了迄今为止已知的最复杂的复合费米子。
“这个复杂的物理难题的命理学需要相当大的耐心，”Csathy的博士生Haoyun Huang说。“以 nu=2/3 分数态为例。由于 2/3=2/（2*2-1），nu=2/3 状态属于双通量族。同样，对于 nu=2/7 分数态，2/7=2/（2*4-1），因此该状态属于四通量族。相比之下，我们发现的分数态与2/11=2/（2*6-1）密切相关。在我们的工作之前，没有看到可能与六通量复合费米子相关的完全量子化分数量子霍尔态。在理论方面，情况完全不同：Jainendra Jain在1989年发表的极具影响力的复合费米子理论中预测了这些复合费米子的存在。在这 34 年中没有观察到相关的量化。
本研究中使用的材料是由Loren Pfeiffer领导的普林斯顿大学团队种植的。砷化镓半导体电质量在这项研究的成功中发挥了巨大作用。根据Csathy的说法，普林斯顿大学的这个团队在种植最高质量的砷化镓基材料方面处于世界领先地位。
“它们生长的砷化镓非常特别，因为缺陷的数量少得惊人，”他说。“Csathy 实验室的低无序和超低温测量专业知识相结合，使这个项目成为可能。我们测量这些样品的一个原因是，最近普林斯顿大学的研究小组已经显着提高了砷化镓半导体的质量，这是通过存在的微小缺陷来衡量的。可以肯定的是，这些改进的样本将继续构成新物理学的游乐场。
这一激动人心的发现是Csathy团队正在进行的研究的一部分。该团队在对拓扑电子物理学的不懈追求中不断突破发现的极限。
更多信息：Haoyun Huang 等人，六通量复合费米子衍生的拓扑保护证据，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-45860-5
