布朗大學物理學家發現一類全新量子粒子，稱為分數激子，它同時表現出費米子與玻色子特性，但遵循非玻色子量子統計，為科學家解鎖一系列新穎物質量子相，將加深我們對量子物理領域的理解，甚至打開量子計算領域新可能性。
在量子世界中，次原子粒子（比原子還小的粒子，如電子、中子、質子、介子、夸克、膠子、光子、玻色子）常常違反經典物理世界熟悉的規則，它們可以同時存於 2 個地方，穿過堅固障礙，甚至跨越遙遠距離進行即時通訊，種種行為看似不可能，卻是量子物理學核心。
最近，布朗大學團隊發現一類稱為分數激子（fractional exciton）的新量子粒子，它們表現出意想不到的行為，不帶總電荷，但遵循獨特的分數量子統計（fractional quantum statistics）數據。
分數量子霍爾效應
這項發現圍繞著被稱為「分數量子霍爾效應（Fractional quantum Hall effect，FQHE）」的現象，該效應建立在經典霍爾效應基礎上，極低溫度與高磁場下發生的經典量子霍爾效應表明，具電流材料施加磁場後產生的橫向電壓以明顯呈階梯狀的方式增加，但在分數量子霍爾效應中，這些能階跳躍變得更加奇特，電子氣體會凝聚成一種奇異液態。
根據團隊新實驗，研究人員製造出雙層薄石墨烯結構，中間以六方氮化硼絕緣晶體隔開，這讓研究人員可以仔細控制電荷運動，並產生稱為激子的準粒子，接著將該系統置於強磁場環境（比地球磁場強數百萬倍），從中觀察到新穎的分數激子，表現出一系列不尋常行為。
激子（exciton）是指一對電子與電洞由靜電庫侖作用相互吸引構成的束縛態，通常由整數電荷組成，在受電荷分數化影響的雙層系統中，可能會出現一種更奇特層間激子形式，於攜帶分數電荷的成分之間配對，也就是表現出分數量子霍爾效應的激子。
過往對分數激子有許多理論預測，但實驗觀察結果仍令人難以捉摸。
獨特的粒子行為
一般基本粒子通常分為兩類：可以共享相同量子態的玻色子，以及遵循包利不相容原理、兩個全同費米子不能占據相同量子態的費米子，而實驗觀察到的分數激子並不完全屬於上述兩類，或者說它們具有預期的分數電荷，但行為表現既像玻色子也像費米子，彷彿兩者混合體。
某方面來說，分數激子更像任意子（Anyon），然而分數激子的獨特性質又有別於任意子，代表分數激子可能是具獨特量子特性的全新量子粒子類型。
研究團隊證明了激子存於分數量子霍爾體系，且其中一些激子由分數帶電粒子配對產生，從而產生行為不像玻色子的分數激子。
團隊表示，這種新型粒子未來可能有助改善量子系統資訊儲存、操作方式，推動速度更快的量子電腦發展。
新論文發表在《自然》（Nature）期刊。
（首圖為示意圖，來源：pixabay）
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