電子是否“可分”？單個電子在粒子物理實驗中從未被發現具有內部結構，一直被視為基本粒子電子。在極端量子條件下，這一常識正在被賦予新的內涵。南京大學物理學院杜靈傑教授團隊與合作者首次在實驗中證實，當大量電子在半導體中處於極低溫、強磁場下，形成強關聯的量子集體時，電子可以表現為多個部分子。好比一個人融入交響樂團，我們聽到的不再是他本人的獨奏，而是他同時奏出的幾個聲部——電子並沒有被物理“切碎”，但在量子集體中，它表現為幾個獨立行動的“分身”。這一成果6月22日發表於《自然·物理》，不僅拓展了人類對量子物質的認知邊界，也意味著在半導體系統中對電子的利用有望從控制電荷、利用自旋，邁入駕馭其內部“分身”結構的階段，為拓撲量子計算帶來新的可能。
“部分子”概念最早由諾貝爾獎得主費曼在20世紀60年代提出，用於解釋質子內部結構電子。後來，理論物理學家將其引入凝聚態物理，提出在強關聯電子系統中，電子也可以“湧現”出若干攜帶分數電荷的準粒子，即“部分子”。一群電子作為集體存在的時候可以出現原本單個電子不存在的性質，這被稱為“湧現”。但在此後幾十年裡，部分子主要作為數學工具存在，一直缺乏實驗觀測證據。
為了捕捉部分子的蹤跡，杜靈傑團隊在砷化鎵半導體量子阱中利用共振非彈性偏振光散射技術，用光子轟擊處於分數量子霍爾態的電子系統，測量散射光子的訊號電子。在同一個分數量子霍爾態中，團隊觀測到兩種不同的引力子模訊號，一種低能，一種高能，能量相差高達三倍，且具有相反的自旋。杜靈傑解釋，只是電子的幾何振盪無法產生兩種不同的引力子模，就如一個鈴鐺搖不出高低兩個音，這意味著存在兩種不同的部分子。
為了鎖定證據，團隊進一步調控外部條件電子。當兩種部分子感受到的有效磁場相反時，觀測到的兩種引力子模自旋也相反；當磁場調整為相同時，自旋也變為相同。團隊還透過調控使其中一種部分子變為電中性，實驗觀測到對應的引力子模訊號消失，而另一種訊號依然存在——就像讓交響樂團中的一個聲部安靜下來，對應的聲音就消失了。杜靈傑說，這些證據表明，兩種引力子模訊號來自不同的部分子，從而證實了部分子是湧現的準粒子，即關聯電子“可分”為若干帶分數電荷的部分子。
回顧人類資訊科技的發展史，每一次飛躍都源於對電子更深層的認識電子。“資訊1.0時代”，人們控制電荷，催生了積體電路和計算機；“資訊2.0時代”，人們利用自旋，量子計算由此開啟。如今，這項實驗首次在半導體中開啟了關聯電子內部“分身”結構的大門——從控制電荷到利用自旋，再到操控部分子，物理學基礎研究每一次突破，都在拓寬我們對世界的認知，也為下一次科技革命積蓄力量。
文章轉自電子：人民網
