美国一个研究团队研发出一种新型器件，该器件能够在其部分带电边缘导电，且不会因发热而损失能量。这项由华盛顿大学许晓栋领导的研究成果发表在《自然·物理》期刊，首次实现了“无耗散分数陈绝缘体”的实验验证——这种长期探索的物质状态对未来量子技术具有重要意义。
从量子霍尔效应到分数相
当电子被限制在二维材料中，冷却至极低温度并暴露于强磁场时，量子霍尔效应便会显现。与经典霍尔效应相似，它描述了材料中如何产生与电流方向垂直的电压。然而在此情况下，该电压以离散的、量子化的阶跃形式增长。
在更为极端条件下，会出现一种名为“分数量子霍尔”（FQH）效应的奇异变体。此时电子不再表现为独立粒子，而是集体运动，从而产生与电子电荷分数对应的电压阶跃。这种非凡的集体行为揭示了大量奇异特性，使这类态成为新兴量子技术领域极具吸引力的研究对象。
将分数量子效应引入零磁场环境
在分数陈绝缘体（FCI）中，出现了一种更为奇特的可能性。这类材料可以像分数量子霍尔效应（FQH效应）一样，在零磁场下展现出分数量子化的霍尔信号。尽管FCI的概念早在十多年前就被提出，但其标志性行为——“分数量子反常霍尔效应”（FQAH效应）——直到2023年才由徐教授的研究团队首次通过实验证实。研究人员使用了由两层二碲化钼构成的器件，这两层材料以精心选择的角度相互扭曲。
“FQAH效应的初次发现令人振奋，但远非完美，”徐教授回忆道，“例如虽然霍尔电阻如预期呈现量子化，但纵向电阻本应消失却仍显著存在。”
设计更清洁、更高品质的器件
这种残余电阻指向能量损耗现象——当电荷在材料中移动时，电能会转化为热能而损失。在最新研究中，徐教授及其团队通过在两个关键领域提升器件性能来解决这一问题。
首要突破聚焦于基底晶体的生长过程。" 我的同事朱俊豪与联合博士后胡超伟发现，水平流生长法能显著提升晶体质量。“他解释道，”相较于2023年原始研究使用的晶体，新方法使载流子迁移率提升了十倍以上。"
“其次，我的学生朴贤俊与团队进一步优化器件制备工艺，有效降低了扭角紊乱。”
实现无耗散边缘导电
随着这些改进措施的实施，研究人员发现当系统调谐至电子能带三分之二填充状态时，多余电阻几乎完全消失。该成果标志着无耗散量子自组织态（FCI）的首次实现——电能沿边缘流动时几乎不向热能转化。
更纯净的器件还揭示了系统热激活能隙的意外行为：该能隙是体态基态与其最低激发态之间的能量差。若能隙过小，热激发体态电子将与边缘态竞争，导致器件性能下降。
令人费解的能隙与未来展望
徐教授表示：“出乎意料的是，我们发现分数量子的热激活能隙会随磁场增强而急剧缩小，并在达到特定磁场强度后趋于平稳。这与完全量子化态形成机制截然相反——后者需要磁场才能形成态，且磁场强度越高能隙越大。”
该团队的理论指出，这种异常趋势源于电子自旋与电荷相关联的不同低能激发态之间的竞争——在分数量子霍尔晶体系统中，每种激发态激活所需的能量各不相同。
展望未来，徐教授及其团队已看到性能优化的清晰路径。“过去40年间，量子霍尔研究领域通过提升样品质量屡创突破，”他指出，“基于这些经验，我们期待在新平台上取得更迅猛的进展，迫不及待想见证即将到来的新惊喜。”
