科学家观测到任意子存在证据

    “ 睡衣条纹”干涉图样   图片来源：James Nakamura and Michael Manfra

物理学家可能发现了第一个无可争议的证据，证明一种40多年前提出的不寻常准粒子——任意子的存在。任意子是一个不断增长的准粒子现象家族的最新一员，它不是基本粒子，而是固体器件中许多电子的集体激发态。这一发现，可能为任意子未来在量子计算机上的应用打下基础。

“这看起来确实是一件大事。”英国牛津大学理论物理学家Steven Simon说。该成果尚未经过同行评议，近日发布在论文预印本网站arXiv上。

已知的准粒子表现出一系列奇特的行为。例如，磁单极子准粒子只有一个磁极，不像普通磁体有北极和南极；另一个例子是马约拉纳准粒子，它们是自己的反粒子。

任意子更是独特。所有基本粒子都属于两种可能的类型：费米子和玻色子，但任意子都不是。当两个相同的费米子交换空间位置时，它们的量子力学波会旋转180度。当玻色子交换位置时，它们的波不会改变。切换两个任意子会产生某个中间角度的旋转，这是一种被称为分数统计的效应。这种效应不会发生在三维空间中，而只能在二维空间中以电子的集体运动状态形式出现。

当两个任意子切换了两次位置时，它将在量子状态下保留对该运动的记忆。这种记忆是科学家一直在寻找的分数统计特性的明显迹象之一。

分数统计是任意子的定义属性，美国普渡大学实验物理学家Michael Manfra领导的团队在最新研究中第一次明确测量到它。

Manfra团队制造了一种由砷化镓和砷化铝镓薄层构成的结构。该结构限制了电子在二维方向上的移动，同时屏蔽了装置其他部分杂散电荷的影响。然后，研究人员将其冷却到比绝对零度高万分之一，并加入了强磁场，从而产生了一种被称为 “分数量子霍尔”（FQH）绝缘体的物质状态，这种状态具有特殊性，即电流不能在二维装置内部运行，但能沿着其边缘流动。FQH绝缘体可以容纳准粒子，这些准粒子的电荷不是电子电荷的倍数，而是1/3，这些准粒子一直被怀疑是任意子。

为了证明它们确实是任意子，该团队对该装置进行了蚀刻，使电流能够沿着两种可能的边缘路径从一个电极向另一个电极传输。研究人员通过改变磁场和增加电场来改变条件。因为移动的任意子有两种可能的路径，每种路径都会在其量子力学波中产生不同的扭曲，当任意子到达终点时，它们的量子力学波会产生一种被称为“睡衣条纹”的干涉图样。

这种图样显示了两条路径之间的相对旋转量是如何随着电压和磁场强度变化而变化的。但干涉也显示出跳跃，这是任意子在大部分材料中出现或消失的确凿证据。

“据我所知，这是对任意子的一个非常可靠的观察——直接观察它们的定义属性：当一个任意子围绕另一个任意子运动时，它们就会积累一个分数相。”Simon说。

但一些理论物理学家认为，实验中的证据虽引人注目，但并不是决定性的。“在很多情况下，有几种解释实验的方法。”德国莱比锡大学物理学家Bernd Rosenow说，如果得到证实，Manfra团队报告的证据将是明确的。

相关论文信息：https://arxiv.org/abs/2006.14115