复合费米子的气泡相的发现证实了一个新的量子物质家族的存在

就像发现一个隐藏的世界一样，物理学家调拨半导体材料上的磁场，发现了一个新的物质家族中的第一个，这些物质来自量子尺度的奇异领域。在研究人员称为 复合费米子的气泡相中，成对的准粒子——粒子相互作用产生的粒子状实体——以晶体模式排列，使电流能够沿着材料的边缘流动。

这一发现代表了一种以前未被观察到的复合费米子排列，这些复合费米子是表现得像粒子的实体，是由电子和磁性之间的相互作用形成的。复合费米子的气泡相属于一类物质，恰当地称为拓扑绝缘体，这表示电流仅沿着材料的外表面或边缘流动，而横截面不导电。虽然凝聚态物理学家已经发现了数十种拓扑绝缘体，但气泡相的组合配对和周期性结构代表了一个全新的家族或“高度相关的拓扑相”的子类别，这已经被理论化但以前没有观察到。

普渡大学教授 Gábor Csáthy 表示：“作为高度相关拓扑相新家族的第一个成员，这个新相扩展了我们的理解，并让我们得以一窥电子相互作用在电子系统中产生高阶相关性的作用。”物理与天文学系主任 。

目前，这一 最近发表在《自然物理学》上的发现在很大程度上只是一种好奇。虽然未来的应用可能会在量子计算和信息存储等领域得到发展，但对拓扑绝缘体的探索是由探索精神驱动的。

“我们能否找到已知之外的更多拓扑材料?这将告诉我们这些拓扑阶段之间的关系，”Csáthy 说。“这是一个令人兴奋的领域，有很多新想法正在构建我们可以认为几乎是物质周期表的东西。”

Csáthy 是低温技术方面的专家，该技术可将材料过冷以进行测试，从而将物质抑制到最低激发态，从而更容易将一种电子排列与另一种电子排列区分开来。低温技术和技术的进步以及测试材料的纯度使得找到这个更模糊的拓扑相成为可能。为了找到气泡相，Csáthy 使用了夹在砷化铝镓层之间的超纯砷化镓晶圆。普林斯顿大学高级研究学者 Loren Pfeiffer领导的合作者制备了一块约16平方毫米的晶圆 。

晶圆的三明治结构将电子限制在砷化镓中，有效地产生单片电子，并向其施加电流。随着晶圆冷却到 0.012 开尔文度，Csáthy 增加了晶圆上的磁场强度，同时测量沿样品流动的电流和穿过样品的电阻。结果图上的两条线显示，随着磁场强度的增加，砷化镓会滑入和滑出先前已知的拓扑相。但在大约 7.76 特斯拉的磁场强度下，晶圆上的电压降至零，显示出新相。

可以通过增加复杂性来组织已知类别的拓扑绝缘体。最简单的类别可以通过想象电子携带电荷来设想，电荷等于一个电子的电荷。但是复杂性的提高就是另一回事了。在这一类中，由电子和磁通量量子的集体相互作用产生的复合费米子携带电荷。在这一点上，在物理学中被描述为分数量子霍尔效应，将电的基本单位想象成一个带有电子电荷的一小部分的物体是有帮助的。果然，即使那个物体，在这种情况下是复合费米子，是由多个电子的相互作用产生的，它也只携带一小部分电子电荷。

物理学家早就预测了更高层次的复杂性，其中足够密度的复合费米子会导致准粒子本身相互作用，形成以周期性模式排列的束或气泡。Csáthy 对复合费米子气泡相的发现证明了这种基本的新型高度相关拓扑相的存在。

“我们的实验表明，通过观察一种新现象，即所谓的分数量子霍尔效应的重入，可以通过实验获得这种复杂秩序的机制，”Csáthy 说。

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