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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。但這并不一定意味著它不能被分成更小的部分。

根據(jù)2月21日在《自然》雜志上發(fā)布的一篇新論文，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(shù)電荷”的罕見現(xiàn)象。雖然這種現(xiàn)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(shù)量子霍爾效應”，需要創(chuàng)建一個持續(xù)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(shù)電荷”，所使用的材料就像幾層超薄石墨烯一樣簡單，它本質上就是二號鉛筆中的材料。為了實現(xiàn)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(tǒng)，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在一份新聞聲明中說，“分數(shù)電荷是如此奇特，現(xiàn)在我們可以用一個更簡單的系統(tǒng)，并且沒有磁場，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(chuàng)造了一種晶格，本質上模仿了磁場的常見效應。一旦配備了電極并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(shù)電荷”。

“我們看到它時，一開始并沒有認出它?！本咏淌谡f，“然后開始大喊，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(jù)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，從而在芯片石墨烯中產(chǎn)生第一個“分數(shù)量子反常霍爾效應”（這里的反常指“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(shù)量子霍爾效應”，這一發(fā)現(xiàn)最終為三名研究人員贏得了1998年諾貝爾物理學獎。分數(shù)電子電荷的發(fā)現(xiàn)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(xiàn)第一個“分數(shù)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(fā)現(xiàn)了非磁性分數(shù)電荷，現(xiàn)在石墨烯也加入了這個“異常”名單。發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象可以在計算過程中為量子位提供額外的抗干擾保護。