40年前,物理学界家就预测了任意子(anyons)的存在。但知道最近,物理学家才宣布找到了任意子存在的第一个确切证据。
任意子不是基本粒子,而是准粒子的一种。任意子的发现,意味着任意子作为未来量子计算机基础的探索,前进了一大步。
基本粒子都属于两种类型的粒子家庭——费米子和玻色子。但任意子既不属于费米子,也不属于玻色子。
费米子(比如电子)的定义性质是费米统计,即当两个相同的费米子切换空间位置时,它们的量子力学波函数旋转180度。当玻色子交换位置时,它们的波函数不变。
但任意子在切换两个正弦时,会产生一个中间角度的旋转,这种效应称为分数统计。准粒子在切换位置时的异常行为意味着,如果一个粒子绕另一个粒子绕一个完整的圆周运动(相当于两个粒子切换位置两次),它将在其量子状态下保留该运动的记忆。
物理学家制造了一个砷化镓和砷化铝镓构成的薄层结构。这个结构将电子限制在二维方向上移动。然后,科学家将其冷却到比绝对零度高出千分之一度的温度上,并添加了一个强磁场,从而产生了“分数量子霍尔效应”的绝缘子状态。
这种状态有两大特性:一,电子可以沿二维设备边缘运行;二,绝缘子可以容纳带电荷的准粒子,该电荷不是电子电荷的倍数,而是电荷的三分之一。
为了证明它们确实存在,该团队蚀刻了该设备,以便它可以将电流从一个电极沿着两个可能的边缘路径传输到另一个电极。由于任意子移动有两条可能路径,而每条路径都会在其量子力学波函数中产生不同的扭曲,所以当任意子到达终点时,它们的量子力学波会产生一种称为睡衣条纹的干涉图案。
该工作可能为应用任意子奠定基础,特别是将任意子用作量子计算机的基础平台。
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