Single anyons and anyon binding in a quantum Hall dot
这项研究展示了在基于石墨烯的量子霍尔点中对单个任意子的捕获与受控操控，揭示了复杂的轨道壳层填充行为，并实验证实了存在显著的任意子结合能，从而导致了分数电荷的配对。
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在奇妙的量子物理世界中，粒子并不总是表现出我们在日常生活中所见到的那种坚固物体的行为。有时，当电子被困在薄层材料中并被冷却到接近绝对零度时，它们会组织自身形成一种被称为分数量子霍尔流体的特殊物质状态。在这种流体中，电子进行着协调的舞蹈，创造出新的涌现粒子。这些粒子被称为任意子（anyons）。与携带一个完整单位电荷的普通电子不同，任意子仅携带电荷的分数，例如电子电荷的三分之一。它们还具有一种独特的属性，称为分数统计特性，这意味着如果你交换两个任意子，系统的量子态会发生一种不同于交换普通粒子的变化。几十年来，科学家们一直在研究大规模群体中的这些粒子，其中许多任意子共同存在并以复杂的方式相互作用。然而，为了真正理解它们的本质并可能将其用于未来的量子计算机，研究人员需要隔离并控制单个任意子，将其单独保存在一个微小的陷阱中，以便在没有邻居噪声干扰的情况下观察其行为。
一支研究小组现在成功创建了一种可以捕捉并操控单个任意子的装置。通过使用石墨烯（一种由单层碳原子组成的材料），他们构建了一个微型电路，充当量子点，即电子的微型笼子。通过向围绕在石墨烯小孔周围的一系列闸极施加精确的电压，他们能够挤压电子流，直到陷阱内只剩下一个分数电荷。该装置的功能就像是一个任意子的晶体管，允许科学家逐个添加或移除这些分数电荷，并测量每一步所需的能量。该装置极其洁净且受控良好，使团队能够排空陷阱，直到它仅持有一个准粒子（这是对这些分数激发态的称呼），然后添加更多粒子以观察它们如何排列。
当研究人员首先在电子表现为普通流体的更简单状态下测试其装置时，他们确认了自己可以控制整电子的流动。他们观察到，随着他们调节电压，电子会因为一种被称为库仑阻塞（Coulomb blockade）的现象而卡在陷料中，在这种现象中，同种电荷之间的排斥力阻止了新电荷的进入，直到电压足够高以克服这种排斥力。随后，他们转向了更复杂的量子态，在这些状态下，电荷载体仅为电子的三分之一。在这里，他们发现添加新电荷所需的能量要小得多，这与添加这些微小的分数粒子是一致的。通过仔细调节装置，他们成功隔离了一个单个任意子，然后添加第二个、第三个等等，从而绘制出陷阱的能量图谱。
结果揭示了这些粒子排列方式中令人惊讶的复杂性。当研究人员添加少量任意子时，添加每个新粒子所需的能量呈现出不规则的模式。这并非随机现象；它反映了粒子填充陷阱内可用能量水平的具体方式，类似于电子在原子中填充轨道。研究人员使用先进的计算机模拟来模拟这种行为，模拟结果与他们的实验数据完美匹配，表明这种不规则性源于粒子试图靠近陷阱中心与占据更高能量状态的能量成本之间的竞争。
随着他们添加更多粒子，使陷阱填充约十到二十个任意子，一个显著的模式出现了。对于某些类型的分数电荷，能量阶梯保持规则且可预测。然而，对于其他类型的电荷，模式变得高度不规则，增加一个粒子的能量跳动起伏，暗示着粒子之间存在吸引力。研究人员发现，通过调节陷阱的束缚强度，他们可以使这些粒子结合得如此紧密，以至于陷阱会完全跳过某些电荷状态。系统不再是一个接一个地添加粒子，而是通过同时添加两个粒子来进行跳跃，仿佛它们形成了一个分子。这一观察结果提供了强有力的证据，证明任意子可以相互吸引并形成结合对，这是一种已被理论化但从未在受控环境下被直接观察到的现象。
这一发现意义重大，因为它改变了我们对这些奇异粒子相互作用的理解。它表明，管理任意子的规则不仅仅是像电子那样常见的排斥作用，还可以包括吸引作用，从而导致复合结构的形成。能够捕捉单个任意子并如此精确地研究其相互作用，为更深入的量子力学研究打开了大门。这也使科学家们离构建拓扑量子计算机的目标更近了一步，这类计算机依赖于任意子的独特属性，以一种天然受到误差保护的方式来存储和处理信息。通过展示这些粒子可以被隔离、计数并使其结合，研究人员为利用量子世界的力量实现未来技术提供了关键的一步。
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