南京大学物理学院团队首次捕捉电子“量子分身”实验证据:半导体中观察到部分子开启信息操控新维度
长久以来，电子一直被物理学界视作一个不可分割的基本粒子，是人类理解物质世界并构建现代信息技术的基石。从控制其电荷运动催生了集成电路时代（信息1.0），到利用其自旋属性开启了量子计算新纪元（信息2.0），对电子更深层次的认知突破始终是科技革命的序曲。然而，在一个被称为“分数量子霍尔效应”的极端量子世界里，当大量电子在极低温和强磁场的特定环境中形成强关联的集体时，理论预言电子可能呈现出颠覆我们认知的“分身”现象——即以携带分数电荷的“部分子”形式涌现出来。自诺贝尔奖得主费曼提出相关概念以来，这类部分子作为描述奇特量子态的重要数学图像已存在数十年，但在实验中直接观测并证实它们作为真实物理实体存在的证据，一直是凝聚态物理领域一个悬而未决的挑战。近日，这一科学瓶颈被成功突破。一支由南京大学物理学院杜灵杰教授领导的国际研究团队宣布，他们在砷化镓半导体量子阱构成的实验平台中，首次在分数量子霍尔效应中观测到了涌现的部分子，并揭示其真实的几何动力学，为“电子在强关联量子集体中可表现为多个部分子”的理论提供了坚实的实验验证。这项研究将人类对电子的操控能力，从电荷、自旋层面，推进至了探索其内部涌现“分身”结构的新阶段，为未来拓扑量子计算等前沿方向带来了新的可能性。要理解这项发现，不妨将电子的“涌现”行为作一个类比：就好比一位乐手融入一个交响乐团，他所贡献的不仅是自己原本的音色，而是会融入到集体中，与其他乐手共同演绎出复杂交响乐里的几个不同声部。单个电子本身并未被物理切割，但在特定量子集体中，它表现得如同同时拥有几个可以独立行动的“分身”。这些分身就是所谓的部分子——在分数量子霍尔态这一量子液体中涌现出的携带分数电荷的准粒子。捕捉这些“分身”的直接证据，是本次实验的核心目标。研究团队采用的实验手段是高度精密的“共振非弹性偏振光散射”技术。他们用特定波长和偏振的光子去轰击处于深度制冷和强磁场下、已被精确制备到分数量子霍尔态的砷化镓二维电子系统。当光子与这个奇异量子液体相互作用时，会激发系统内部的特定几何振荡。该团队曾在2024年成功观测到与此类振荡对应的“手性引力子模”，但那时的研究尚无法将引力子模的来源明确归属于具体的部分子，还是一个悬而未决的难题。本次研究中，团队选取了一个更复杂的分数量子霍尔态作为观测对象。通过对实验数据的精细分析，他们在同一个量子态中，前所未有地观测到了两种截然不同的引力子模信号。这两种信号不仅在能量上相差高达三倍，更关键的是，它们表现出相反的自旋。这一现象无法用单个电子或单一组分的几何振荡来解释，就好比敲击一个铃铛无法同时发出高、低两个音调。该结果强烈暗示了两种不同的组分（部分子）的存在，并分别激发出不同的几何振荡。为了进一步锁定证据链，研究团队采取了更为巧妙的调控策略。他们通过改变实验条件，如调整有效磁场的方向，观察到这两种引力子模的自旋也随之发生了协同变化：当理论预测两种部分子感受到的有效磁场方向相反时，两种引力子模的自旋也相反；当它们感受到的有效磁场方向变得相同时，引力子模的自旋也变为相同。这一精确的关联响应，清晰地指向了这两种几何振荡分别源自两个不同的实体——即理论预言的两种不同部分子。最具决定性的证据，出现在研究团队通过实验条件调控，成功将其中一种部分子所携带的有效电荷降至零（使其变为电中性）之后。此时，对应的那一种引力子模信号也随之在谱学测量中消失，而另一种引力子模信号则继续存在。这好比让交响乐团中对应某一个部分子的“声部”静默，那个声部的声音便戛然而止。这一实验证据直观地证明，观察到的引力子模信号来源于各自对应的特定部分子，而非整个电子系统的混沌背景。实验还意外发现了一个引人入胜的现象：在一个被称为“无能隙量子液体”的特殊态中，部分子图像会进入一种极限情形，即其中一种部分子的电荷会变为零，因而其对应的引力子模会完全消失；而另一种部分子仍然携带分数电荷，其支持的高能引力子模不仅依然存在，甚至还揭示出该系统可能隐藏着一个奇异的“玻色分数量子霍尔态”。这一发现不仅进一步巩固了部分子图像的正确性，更展示出通过探测高能引力子模来识别深藏的、无法通过传统电学测量发现的新量子物态的可能性，开拓了量子物质研究的新路径。这一开创性的研究工作，以“Emergent partons in fractional quantum Hall systems”为题，已于2026年6月22日发表在物理学顶级期刊《自然•物理》上。这项工作不仅首次为分数量子霍尔效应中部分子的真实存在提供了决定性的实验证据，更重要的是，它将一个长期以来主要用于理论计算的数学图像，转变为可以被实验观测和操控的物理实在。它象征着人类对电子的认识和使用，从宏观的电荷、到量子的自旋，如今已触及到其在强关联量子态中衍生出的内部“分身”结构，预示着未来对量子材料性质和信息处理方式的探索，或将步入一个更为深刻和广阔的维度。https://www.eryaoyao.com行业资讯、产学研交流
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