研究发现，电子在石墨烯中成为自己的一部分

电子是电的基本单位，因为它携带一个负电荷。这是我们在高中物理中学到的，在自然界的大多数材料中都是如此

但在物质非常特殊的状态下，电子可以分裂成其整体的一部分。这种被称为“分数电荷”的现象极为罕见，如果它能被遏制和控制，这种奇异的电子态可能有助于构建有弹性、容错的量子计算机

到目前为止，这种被物理学家称为“分数量子霍尔效应”的效应已经被观察了几次，而且大多是在非常高、精心维护的磁场下。直到最近，科学家们才在一种不需要如此强大的磁性操纵的材料中看到了这种效果

现在，麻省理工学院的物理学家已经观察到了难以捉摸的分数电荷效应，这一次是在一种更简单的材料中：五层石墨烯——一层原子薄的碳层，源于石墨和普通铅笔芯。他们在《自然》杂志上报道了他们的研究结果

他们发现，当五片石墨烯像楼梯上的台阶一样堆叠时，所产生的结构本质上为电子作为其总电荷的一部分通过提供了合适的条件，而不需要任何外部磁场

这些结果是晶体石墨烯中“分数量子反常霍尔效应”（“反常”一词指的是没有磁场）的第一个证据，物理学家没想到这种材料会表现出这种效应

麻省理工学院物理学助理教授、研究作者龙菊表示：“这种五层石墨烯是一种会发生许多惊喜的材料系统。”。“分数电荷是如此奇特，现在我们可以用一个简单得多的系统在没有磁场的情况下实现这种效应。这本身对基础物理很重要。它可以实现一种对微扰更鲁棒的量子计算。”，日本国立材料科学研究所的杨吉祥、Seo Junseok和Liang Fu，以及渡边贤二和谷口隆

奇异态

分数量子霍尔效应是当粒子从作为单个单元的行为转变为作为一个整体的行为时可能出现的奇异现象的一个例子。这种集体的“相关”行为出现在特殊状态下，例如，当电子从通常疯狂的速度减慢到爬行时，粒子能够相互感应并相互作用。这些相互作用可以产生罕见的电子态，例如看似非正统的电子电荷分裂。

1982年，科学家在砷化镓异质结构中发现了分数量子霍尔效应，在这种异质结构中，被限制在二维平面中的电子气体被置于高磁场下。这一发现后来为该小组赢得了诺贝尔物理学奖

Ju说：“（这一发现）是一件大事，因为这些单位电荷以某种方式相互作用，产生分数电荷，这是非常非常奇怪的。”。“当时，还没有理论预测，实验让所有人都感到惊讶。”

这些研究人员利用磁场减缓材料电子的速度，使其足以相互作用，从而取得了突破性的成果。他们使用的磁场比通常为MRI机器供电的磁场强大约10倍

2023年8月，华盛顿大学的科学家首次报告了在没有磁场的情况下分数电荷的证据。他们在一种名为二碲化钼的扭曲半导体中观察到了这种“反常”的效应。该小组以特定的配置制备了材料，理论家预测这将给材料一个固有的磁场，足以鼓励电子在没有任何外部磁控制的情况下进行细分

“无磁体”的结果为拓扑量子计算开辟了一条很有前途的途径——这是一种更安全的量子计算形式，其中拓扑的附加成分（一种在弱变形或扰动面前保持不变的特性）在进行计算时为量子位提供了额外的保护

这个计算方案是基于分数量子霍尔效应和超导体的组合。过去几乎不可能实现：一个人需要一个强大的磁场才能获得分数电荷，而同样的磁场通常会杀死超导体。在这种情况下，分数电荷将充当量子位（量子计算机的基本单元）

制作步骤

同月，Ju和他的团队碰巧也在石墨烯中观察到了异常分数电荷的迹象，而石墨烯这种材料还没有表现出这种效应的预测

Ju的团队一直在探索石墨烯的电子行为，石墨烯本身就表现出了非凡的性能。最近，Ju的团队研究了五层石墨烯，这是一种由五个石墨烯片组成的结构，每个石墨烯片彼此稍微错开，就像楼梯上的台阶

这种五层石墨烯结构嵌入石墨中，并且可以通过使用Scotch胶带剥离而获得。当在超低温下放置在冰箱中时，该结构的电子缓慢爬行，并以在更高温度下呼啸时通常不会发生的方式相互作用

在他们的新工作中，研究人员进行了一些计算，发现如果五层结构与六方氮化硼（hBN）对齐，电子之间的相互作用可能会更强——这种材料的原子结构与石墨烯相似，但尺寸略有不同

在组合中，这两种材料