南京大學(xué)團(tuán)隊《自然·物理》：首次觀測到半導(dǎo)體電子的碎裂行為！

近日，南京大學(xué)物理學(xué)院杜靈杰教授帶領(lǐng)的國際團(tuán)隊基于砷化鎵量子阱，首次在分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中觀察到涌現(xiàn)的部分子并揭示了其真實的幾何動力學(xué)，驗證了電子在特定條件下可以表現(xiàn)為多個部分子。這一發(fā)現(xiàn)不僅拓展了人類對量子物質(zhì)的認(rèn)知邊界，也意味著在半導(dǎo)體系統(tǒng)中對電子的利用有望從控制電荷、利用自旋，邁入駕馭其內(nèi)部“分身”結(jié)構(gòu)的階段，為拓?fù)淞孔佑嬎銕硇碌目赡堋?/p>

電子是否“可分”？單個電子在粒子物理實驗中從未被發(fā)現(xiàn)具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一直被視為基本粒子。在極端量子條件下，這一常識正在被賦予新的內(nèi)涵。杜靈杰教授團(tuán)隊與合作者首次在實驗中證實，當(dāng)大量電子在半導(dǎo)體中處于極低溫、強(qiáng)磁場下，形成強(qiáng)關(guān)聯(lián)的量子集體時，電子可以表現(xiàn)為多個部分子。好比一個人融入交響樂團(tuán)，我們聽到的不再是他本人的獨(dú)奏，而是他同時奏出的幾個聲部——電子并沒有被物理“切碎”，但在量子集體中，它表現(xiàn)為幾個獨(dú)立行動的“分身”。

“部分子”概念最早由諾貝爾獎得主費(fèi)曼在20世紀(jì)60年代提出，用于解釋質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而夸克就是一種攜帶分?jǐn)?shù)電荷的部分子。后來，理論物理學(xué)家將其引入凝聚態(tài)物理以描述分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，提出在這種強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)中，電子也可以涌現(xiàn)式地“碎裂”為若干攜帶分?jǐn)?shù)電荷的部分子（注：這里的部分子是準(zhǔn)粒子）。正如諾貝爾獎得主安德森所指出：在科學(xué)的層級結(jié)構(gòu)中，每個層級都可能產(chǎn)生全新的規(guī)律和概念；而一群電子作為集體存在的時候可以出現(xiàn)原本單個電子不具備的性質(zhì)，這一現(xiàn)象即為“涌現(xiàn)”。但在此后幾十年里，部分子在分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中主要作為數(shù)學(xué)工具存在，一直缺乏直接的實驗觀測證據(jù)。

2024年，南京大學(xué)杜靈杰團(tuán)隊通過共振非彈性偏振光散射實驗，在分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中成功觀察到了手性引力子模（Nature628, 78 (2024)）（圖1）。在實驗中，光子進(jìn)入砷化鎵量子阱，與其中的二維強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)相互作用，并激發(fā)出電子液體內(nèi)部的幾何振蕩。由于當(dāng)時研究的分?jǐn)?shù)態(tài)中只有一種活躍的部分子，實驗上也主要看到一種引力子模，因此很難進(jìn)一步判斷區(qū)分引力子模是來自電子還是部分子的幾何振蕩。換言之，雖然手性引力子模已經(jīng)被觀測到，但部分子是否能留下可單獨(dú)識別的實驗信號，仍然是一個尚未解決的問題。

圖1 分?jǐn)?shù)態(tài)的部分子構(gòu)成和對應(yīng)的引力子模

為了捕捉部分子的蹤跡，團(tuán)隊在砷化鎵半導(dǎo)體量子阱中利用共振非彈性偏振光散射技術(shù)，用光子轟擊處于分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)的電子系統(tǒng)，測量散射光子的信號。在同一個分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)中，團(tuán)隊觀測到兩種不同的引力子模信號（圖2），一種低能，一種高能，能量相差高達(dá)三倍，且具有相反的自旋。杜靈杰解釋，只是電子的幾何振蕩無法產(chǎn)生兩種不同的引力子模，就如一個鈴鐺搖不出高低兩個音，這意味著存在兩種不同的部分子。

圖2 2/7分?jǐn)?shù)態(tài)的多重引力子模測量

為了鎖定證據(jù)，團(tuán)隊進(jìn)一步調(diào)控外部條件。當(dāng)兩種部分子感受到的有效磁場相反時，觀測到的兩種引力子模自旋也相反；當(dāng)磁場調(diào)整為相同時，自旋也變?yōu)橄嗤▓D3）。研究結(jié)果進(jìn)一步支持了部分子圖像：當(dāng)不同部分子感受到相同方向的有效磁場時，它們的幾何振蕩也應(yīng)攜帶相同的引力子自旋。

圖3 2/9分?jǐn)?shù)態(tài)的多重引力子模測量

團(tuán)隊還通過調(diào)控使其中一種部分子變?yōu)殡娭行?，實驗觀測到對應(yīng)的引力子模信號消失，而另一種信號依然存在——就像讓交響樂團(tuán)中的一個聲部安靜下來，對應(yīng)的聲音就消失了。這些證據(jù)表明，兩種引力子模信號來自不同的部分子，從而證實了部分子是涌現(xiàn)的準(zhǔn)粒子，即關(guān)聯(lián)電子“可分”為若干帶分?jǐn)?shù)電荷的部分子。

更出人意料的是，在部分子圖像的極限情形中，低能部分子的電荷為零，不再產(chǎn)生任何引力子；而剩余的高能部分子仍然攜帶分?jǐn)?shù)電荷，因此仍可能支持幾何振蕩，即高能引力子模。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步表明，即使在無能隙量子液體中，高能部分子仍能形成隱藏的玻色分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)，并通過手性引力子模留下清晰的譜學(xué)信號。這一觀測不僅為部分子圖像提供了重要實驗證據(jù)，也為通過譜學(xué)手段識別隱藏的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)開辟了新的路徑。

圖4 1/4無能隙態(tài)的高能引力子模測量

回顧人類信息技術(shù)的發(fā)展史，每一次飛躍都源于對電子更深層的認(rèn)識?！靶畔?.0時代”，人們控制電荷，催生了集成電路和計算機(jī)；“信息2.0時代”，人們利用自旋，量子計算由此開啟。如今，這項實驗首次在半導(dǎo)體中打開了關(guān)聯(lián)電子內(nèi)部“分身”結(jié)構(gòu)的大門——從控制電荷到利用自旋，再到操控部分子，物理學(xué)基礎(chǔ)研究每一次突破，都在拓寬我們對世界的認(rèn)知，也為下一次科技革命積蓄力量。

該成果以“Emergent partons in fractional quantum Hall systems”為題發(fā)表至國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然?物理》。南京大學(xué)物理學(xué)院博士生楊子灝、王一帆為論文共同第一作者；南京大學(xué)物理學(xué)院杜靈杰教授為通訊作者。實驗部分由南京大學(xué)杜靈杰課題組完成，美國普林斯頓大學(xué)L. N. Pfeiffer教授等提供樣品，新加坡南洋理工大學(xué)楊波教授和印度數(shù)學(xué)科學(xué)研究所A. C. Balram提供理論計算。這項工作得到了國家長周期支持項目，江蘇省自然科學(xué)基金攀登項目和重點(diǎn)項目，江蘇省雙創(chuàng)團(tuán)隊，南京大學(xué)789科技攻關(guān)計劃等支持，以及江蘇省物理科學(xué)研究中心的大力支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41567-026-03338-9

本文來自：南京大學(xué)

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