石墨烯中发现奇特的准粒子

在分数量子霍尔效应中，强磁场中的电子会形成集体态，表现为携带部分电子电荷的准粒子——任意子。在某些物相中，这些任意子遵循“非阿贝尔”交换统计：当多个任意子交换位置时，它们的联合量子态取决于交换的精确顺序，这种内置“记忆”能以本质上抗噪声的方式存储和操控量子信息。虽然具有更简单“阿贝尔”交换特性的任意子已被观测到，但稳定承载非阿贝尔任意子的物相实现仍是核心挑战。
非阿贝尔任意子被预测会在电子部分占据名为朗道能级的离散能级时出现，此时填充因子为偶分母。在这类物相中，当任意子穿过包围磁通量的不同路径时，应产生特征性的“阿哈罗诺夫-玻姆”干涉图样。双层石墨烯提供了一个清洁且高度可调的平台，能使多个朗道能级接近半填充，此时有望形成非阿贝尔任意子。本研究旨在该系统中观测稳健的阿哈罗诺夫-玻姆干涉，并在单个可控器件中识别干涉准粒子的电荷和交换统计特性。
研究人员在双层石墨烯中构建了法布里-珀罗干涉仪结构（图1a）。在该器件中，任意子沿中心区域周围的两条不同路径传播并发生干涉，将它们的相对量子相位印刻在测量电流上。双层石墨烯被封装在六方氮化硼中，通过石墨电极（栅极）静电控制电子密度。两个被称为量子点接触（QPC）的狭窄区域分割沿分数量子霍尔态边缘流动的电流，并定义路径。最后，“柱塞”栅极用于调节包围面积。
通过沿保持整体填充因子基本固定的轨迹改变磁场和栅极电压，研究人员分离出阿哈罗诺夫-玻姆对干涉信号的贡献。额外的电压控制可在干涉仪体区添加或移除局域准粒子，并追踪干涉随磁通量变化的演化。准粒子交换统计引起的相位偏移表现为：在磁场和栅极电压变化时，电阻图中恒定相位“条纹”的斜率发生改变（图1b）。
在接近-1/2和3/2的填充因子下，研究发现阿哈罗诺夫-玻姆干涉的磁通量周期约为标准磁通量子的两倍。这种行为既与携带半个电子电荷的任意子干涉相符，也与四分之一电荷任意子环绕回路两次后干涉相符。当偏离恒定填充时，条纹斜率显示体区添加的准粒子是四分之一电荷任意子，它们进入包围区域时会改变干涉相位。这些观测共同证明了偶分母填充下的稳定干涉，并揭示了四分之一电荷任意子的相位贡献。
在半填充下观测到稳健的阿哈罗诺夫-玻姆干涉，为探测非阿贝尔统计、最终将非阿贝尔态用作拓扑量子计算的构建块奠定了关键基础。能够在恒定填充状态和故意向体区注入任意子的状态之间切换，提供了实用的调节手段，使物理学家能研究统计相位如何产生，以及操控准粒子隧穿通过量子点接触的过程。
然而，仅靠测量的干涉周期无法明确区分半电荷任意子的干涉与四分之一电荷任意子的双环绕。主导隧穿的准粒子可能受量子点接触处的共振、干涉图样的热展宽以及体区任意子数量波动的影响。因此，尽管测量清楚揭示了体区四分之一电荷任意子，但非阿贝尔干涉的明确证据仍需进一步测量。计划的下一步包括：对单个接触进行散粒噪声实验、设计有利于四分之一电荷任意子隧穿的接触，以及系统扫描温度和器件几何结构的变化。