【2024年03月05日訊】（記者林達編譯報導）萬物的基本組成成分是原子，即包含中子和質子的原子核，加上電子在軌道上繞其運行。但即使質子和中子也由被稱為膠子和夸克的粒子所組成。另一方面，電子是基本粒子，這意味著它不是由更小的粒子組成的。但這並不一定意味著它不能被分成更小的部分。
根據2月21日在《自然》雜誌上發表的一篇新論文，麻省理工學院的科學家將電子分裂成幾個部分，這是一種被稱為「分數電荷」（fractional charge）的罕見現象。雖然這種現象幾十年前就已為人所知，但麻省理工學院分配電子的方法確實引起了一些人的注意。通常，為了獲得這種「分數量子霍爾效應」，需要創建一個持續存在的磁場。直到最近才在這些強大的磁場條件之外觀察到這種效應。
在這項新研究中，科學家們觀察到了「分數電荷」，所使用的材料就像幾層超薄石墨烯（graphene）一樣簡單，它本質上就是二號鉛筆中的材料。為了實現這一目標，研究人員以階梯狀的圖案堆疊了五層石墨烯，每層只有一個原子厚。
「這種五層石墨烯是一種材料系統，會帶來許多驚喜。」論文合著者、麻省理工學院物理學助理教授居隆（Long Ju，音譯）在一份新聞聲明中說，「分數電荷是如此奇特，現在我們可以用一個更簡單的系統，並且沒有磁場，卻使一種更加抗干擾的量子計算成為可能。」
他們將石墨烯薄層嵌在兩片氮化硼（hBN）之間，氮化硼具有與石墨烯相似的原子結構，使得電子相互作用更加強烈。這種配對創造了一種晶格，本質上模仿了磁場的常見效應。一旦配備了電極並冷卻到接近絕對零的溫度，研究小組就目睹了意想不到的「分數電荷」。
「我們看到它時，一開始並沒有認出它。」居教授說，「然後開始大喊，因為我們意識到這真的很重要。這是一個完全令人驚訝的時刻。」
根據麻省理工學院的新聞稿，這種排列允許電子僅攜帶一小部分電荷通過，從而在晶體石墨烯中產生第一個「分數量子反常霍爾效應」（這裡的反常指「非磁性」）。
居隆解釋道，早在1982年，一個使用砷化鎵和磁鐵所做的實驗中首次觀測到這種「分數量子霍爾效應」，這一發現最終為三名研究人員贏得了1998年諾貝爾物理學獎。分數電子電荷的發現是完全出乎意料的，當時沒有理論可以解釋它。另外，為了實現第一個「分數電荷」，研究人員當時使用了比核磁共振成像（MRI）機器強10倍的磁場。
直到2023年7月，第一個研究小組才利用二碲化鉬扭曲半導體發現了非磁性分數電荷，現在石墨烯也加入了這個「異常」名單。發現更多像石墨烯這樣具有類似效果的材料可能會給量子計算帶來好處，因為這種現象可以在計算過程中為量子位（qubit）提供額外的抗干擾保護。◇
