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《美国国家科学院院刊》刊登林熙研究组关于5/2分数量子霍尔态的新工作

  北京大学量子材料科学中心林熙副教授与美国麻省理工M. A. Kastner教授、普林斯顿大学L. N. Pfeiffer教授合作,通过边界电流隧穿的实验手段,发现局域条件下的5/2分数量子霍尔态存在相竞争、其中一个相可能携带非阿贝尔统计。

  分数量子霍尔效应自发现以来,一直是一个研究相互作用的理想系统,在分数量子霍尔效应领域,许多新奇的物理现象被观测到并被理论解释。其中,1987年被观测到5/2分数量子霍尔态是一个有趣的量子态,它无法直接用常规的复合费米子理论解释。一些理论预言5/2态中的准粒子可能携带非阿贝尔统计。携带非阿贝尔统计的准粒子可能可以用于拓扑量子计算,它有望解决量子计算中的核心困难退相干问题,因而,5/2态的研究在近10年得到了比较多的关注。

  在对5/2态的理论研究中,人们普遍认为5/2态携带非阿贝尔统计;在对5/2态的实验研究中,较多的实验支持其携带非阿贝尔统计,然而这个问题在实验上尚未有定论。近些年通过局域条件开展的边界电流隧穿实验中,早期实验支持非阿贝尔统计存在,然而更新的实验却支持阿贝尔统计,这个矛盾的观测结论令人困惑,同时,边界电流隧穿也是通过5/2态实现准粒子操作的一个重要手段,因而该问题值得仔细研究。

  在由普林斯顿大学提供的高迁移率二维电子气样品上,林熙课题组在北京大学内完成器件制备和极低温测量,实验发现,通过改变局域条件,边界电流隧穿的结果由支持阿贝尔统计变更为支持非阿贝尔统计,并且,无局域条件下的5/2态可能属于非阿贝尔的anti-Pfaffian state,与理论预测符合。该工作的意义不仅在于澄清了前期相关实验中的矛盾,还为拓扑量子计算器件的设计提供了一些信息。北大博士生付海龙从2012年起加入此工作,他参与了极低温环境的搭建与降低电子温度的实验改造、完成了超高迁移率微观结构样品的制备和极低温下的测量、并参与了数据分析和文章写作。

  相关文章已于2016年10月19在《美国国家科学院院刊》上在线刊登(PNAS,http://www.pnas.org/content/early/2016/10/17/1614543113),北大博士生付海龙为第一作者,林熙与M. A. Kastner为通讯作者。本工作得到国家重大科学研究计划和国家自然科学基金的经费资助。