研究背景
隨著半導體技術的發展，基于硅的金屬-絕緣體-半導體場效應晶體管(Si MOS FET) 和 GaAs/Alx Ga1-x As異質結提供了實現二維電子系統的可能。簡單說來，在非常純凈的半導體表面或界面上，電子在低溫下表現得像在平面內運動的氣體分子那樣，形成通常所說的二維電子氣(2DEG)。通常電子的動能遠大于電子之間的庫侖相互作用，但前者可以用一個垂直方向的強磁場來壓制。特別是當磁場下電子的回旋運 動半徑與電子間平均距離相當時，相互作用主導了電子的運動，分數量子霍爾態這種極端量子極限下的新物態就出現了。
在此，普林斯頓大學物理系Ali Yazdani院士團隊在“Nature Physics”期刊上發表了題為“High-resolution tunnelling spectroscopy of fractional quantum Hall states”的最新論文。該團隊展示了超清潔的伯納爾堆疊雙層石墨烯器件中的分數量子霍爾態的高分辨率掃描隧道顯微鏡（STM）和光譜學（STS）研究。光譜測量顯示出尖銳的激發，這是電子分數化為準粒子束縛態時預測會出現的現象。
作者發現，對于候選的非阿貝爾分數態，其能隙比其他相關系統（例如半導體異質結構）大五倍，這表明雙層石墨烯是操作這些準粒子并創建拓撲量子比特的理想平臺。作者還在非常干凈的石墨烯樣品中發現了先前未觀察到的分數態。
研究亮點
實驗首次觀察到分數量子霍爾態，得到了清晰的隧道譜和高分辨率的原子波函數成像。通過掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道譜（STS）技術，研究人員首次在超凈的伯納爾堆疊雙層石墨烯中觀察到分數量子霍爾態，并展示了這些態中的激發和能量間隙。
實驗通過STM技術，揭示了分數量子霍爾態中的非阿貝爾分數子態，得到了能量間隙比其他系統大五倍的候選非阿貝爾分數量子霍爾態。通過測量高能激發，發現了理論預測的銳峰，進一步證實了這些分數激發為復合態，這為操控這些分數激發和實現拓撲量子比特提供了理想平臺。
實驗通過對雙層石墨烯的局部探測，發現了新的分數量子霍爾態，這些態在非常潔凈的石墨烯樣品中得到了觀察。通過高分辨率的STM和STS，研究人員能夠探測到與電子態或孔態有強重疊的復合激發，驗證了理論計算的正確性。
實驗結果顯示，雙層石墨烯是理想的拓撲量子比特平臺，具有大能隙和高能態的特點，使其在非阿貝爾分數子態的研究中具有優勢。通過STM的原子級成像與光譜，研究人員能夠有效地揭示樣品中的缺陷及無序效應，提供了對分數量子霍爾態的深入理解，并為將來基于非阿貝爾子態的量子信息應用提供了理論依據。
圖文解讀
圖1：實驗設置和零場及低磁場下的隧道譜。
圖2：在B = 10T下，N = 0和1 Landau能級下的原子波函數成像。
圖3：N = 0 Landau能級下0 < ν < 1范圍內的分數量子霍爾態。
圖4：N = 1 Landau能級下?1 < ν < 0范圍內的分數量子霍爾態。
圖5：N = 2 Landau能級下4 < ν < 5范圍內的分數量子霍爾態。
結論展望
本文的研究揭示了STM在探測分數量子霍爾（FQH）態中的重要應用，尤其是在超潔凈雙層石墨烯（BLG）平臺上的應用。通過STM，研究者能夠深入探測局部區域，避免了傳統傳輸測量中對樣品缺陷的敏感性，從而獲得更精確的FQH能隙測量結果。這一優勢不僅驗證了超潔凈BLG作為理想實驗平臺的潛力，也為FQH態的深入研究提供了新的視角。
此外，本文還發現了在N = 2 Landau能級中出現的偶分母FQH態，這一新發現為FQH態的研究開辟了新的方向，可能涉及到Moore–Read態或復合費米子配對態等更為復雜的拓撲量子態。這一成果為后續基于FQH態的拓撲量子計算和量子比特設計提供了理論基礎和實驗支持，特別是在無缺陷區域對FQH態進行局部操控的可能性，預示著量子計算領域的一大進展。整體而言，本文展示了超潔凈BLG平臺在FQH態研究及拓撲量子比特創造中的廣泛應用前景。
原文詳情
Hu, Y., Tsui, YC., He, M. et al. High-resolution tunnelling spectroscopy of fractional quantum Hall states. Nat. Phys. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41567-025-02830-y
