此前法國的研究團隊在微型二維粒子對撞機中發現了任意子存在的跡象，這一神奇的準粒子的發現相當於發現一種新的物質態，即拓撲物態，對凝聚態物理和量子材料有著深遠意義。最近，來自普渡大學的研究團隊發現測量拓撲材料邊界的幹涉現象，被認為可用任意子交換統計來解釋，為任意子的存在再添了有力證據。
撰文 | 董唯元
原標題：《任意子存在再添證據，這次看到幹涉條紋！》
如果說希格斯玻色子是粒子物理學家心中的天外飛仙，那麼任意子（Anyon）就是凝聚態物理學家心中的古怪精靈。儘管在凝聚態物理的準粒子花園中，磁單極子、馬約拉納粒子（反粒子即為自身的粒子）等奇特的物種早已琳琅滿目，但任意子仍是其中最惹人關注的一個。
任意子的身份歸類就十分特殊。物理學家們本來已經將變化萬千的粒子整齊的劃分為費米子和玻色子兩類，前者自旋為半整數，受著名的「泡利不相容原理」限制；後者自旋為整數，多個粒子可以不受限制的擠在同一量子態中。粗糙地說，在宇宙演化的大戲中，費米子扮演著「物質」的角色，玻色子扮演著「相互作用力」的角色。然而任意子卻既非玻色子也非費米子，完全跳出了物理學家先前描畫的框架。如果論及角色分工，種種跡象顯示，任意子似乎與「糾纏關係」有著深刻的內在聯繫。
這很像生物學史上朊病毒的發現，生物學家們忽然意識到，除了DNA病毒和RNA病毒，世界上居然存在不帶核酸只由蛋白質構建的大分子，也能具備複製和傳播能力。這絕不僅僅是發現一個新病毒物種那麼簡單，而是暗藏著一系列關乎生命本質的基礎性認知。同樣，任意子的出現，也刷新了物理學家的認知。
由於任意子這種非常特殊的身份類別，使其自40年前被預言之後，就一直與分數化電荷、分數化自旋等諸多反常的物理現象緊密地聯繫在一起。這些現象就像神秘黑匣中隱約射出的一縷縷五彩光暈，強烈地吸引著研究者們靠近。現在物理學家們已經認識到，那個神秘的黑匣中隱藏著一種名為「拓撲序」的物理對象。如果某天可以將其徹底擒獲，必然可以逼問出許多關乎宇宙萬物乃至時空本質的秘密。
既然理論研究者對任意子如此關切，實驗物理學家們自然也加緊了搜尋的步伐。今年4月份，一個法國團隊就成功的實現了任意子對撞實驗，從統計規律上證實了這種介於玻色子與費米子之間的準粒子。（詳見《在微型粒子對撞機中尋找任意子+文小剛答疑 | 眾妙之門》）
另外一個來自普渡大學的實驗團隊也不甘落後，他們在剛剛過去的6月底成功完成了任意子幹涉實驗，更加清晰直觀地展示了任意子的存在證據[1]。
普渡大學的研究者使用了與先前法國實驗團隊完全相同的GaAs/AlGaAs材料，並將溫度降低到10mK，此時電子仍可以在這種材料的表面運動，但卻無法潛入材料內部，也就說電子被束縛在一個二維世界中。
在三維世界中，由於粒子的全同性，互換一種玻色子的兩個個體，並不會改變整體量子態，而互換一種費米子的兩個個體只是使整體量子態掉頭180°，也就是在整體波函數之前添加一個負號。然而在二維世界中，兩個粒子互相更換座位之後，卻會使整體量子態產生頗為任性的相位變化，這正是任意子得名的緣由。通俗地講，就是二維世界中粒子間相互轉圈的舞蹈，會使系統整體上憑空增加新的物理內容，物理學家將這些新內容等效為一種準粒子激發，這就是最初認識到任意子的起因之一。
在普渡大學的這次實驗中，研究者讓電子通過這個1μm見方的微型工作檯，同時通過周邊變化的磁場牽引著幾乎凍僵的電子相互轉圈，這樣就在系統內產生或消除了任意子，也就是使量子態波函數相位發生了變化。
談及量子態的相位變化，學習過量子力學的讀者自然會聯想到著名的Aharonov-Bohm效應。那種外界磁場對量子態相位隔山打牛一般的影響，使人對量子理論中的非定域關聯印象深刻。普渡大學的這次任意子幹涉實驗，便是以此效應為基底。具體而言，就是Aharonov-Bohm效應會使幹涉條紋隨著外界磁場的變化而連續變化，而當一個任意子產生或消失時，幹涉條紋就會在此處出現跳變。
經過實驗，結果清楚地顯示出幹涉條紋跳變，而且跳變位置所對應的任意子相位角為
，完全吻合此前理論研究者關於GaAs/AlGaAs中任意子相位
的理論推算。這一結果也是自任意子被預言近40年來，最清晰直接的一次實錘。
雖然說「這理論（模型）有什麼用」是被歸類為「一句話惹惱理論物理學家」的禁語，但研究任意子及其相關理論的工作者並不怕回答這類問題。事實上，這一研究領域正在受到越來越多科學界的關注。任意子這種新粒子的背後，不僅有「拓撲序」和「拓撲物態」這一系列新的物理對象和規律，而且也為量子計算提供了更有力的技術基礎。
基於拓撲態所構建的量子位（Qubit），其狀態可以被對稱性或拓撲序所保護，天生對惱人的退相干和環境幹擾具備超強的免疫能力，所以相較第一代量子計算技術有非常明顯的優勢。微軟、谷歌等IT巨頭都已經紛紛投入資源開始進行「拓撲量子計算」的研究，國內的相關研究也進展得如火如荼。相信在不久的將來，由任意子承載的計算技術，也會進入到我們的日常生活。
文小剛：給專業研究者的後記
本文介紹了一個探測任意子的新的研究成果。任意子是材料中拓撲序的反映，所以這一工作也是發現探索拓撲物態中嶄新的量子現象的工作。這一工作的研究人員利用樣品體中的任意子的交換統計，來解釋實驗觀測到的幹涉現象。其實實驗測量的是拓撲序邊界態的兩點隧穿電導，因此其測量的是邊界態的幹涉現象。嚴格來說，用體中的任意子的交換統計來解釋實驗結果，不是非常合適。
其實拓撲序中的任意子及其邊界態，是拓撲序這一多體量子效應的，兩個不同的反映，就像是同一錢幣的兩個面。拓撲序體中出現任意子，會對其邊界態的構型產生影響。體中不同的任意子，導致不同的邊界態構型。而不同的邊界態構型會導致不同的邊界態的兩點隧穿電導。本文介紹的實驗發現，正是利用這些聯繫，通過測量邊界態的兩點隧穿電導，來間接的發現樣品體中的任意子。所以為了理解這一實驗測量我們不僅需要拓撲序體中的任意子理論，我們還需要拓撲序的邊界態理論。幸運的是拓撲序理論發現30多年來，它的任意子理論和邊界態理論都已經發展得很成熟了。
參考文獻
[1] arXiv:2006.14115v1 [cond-mat.mes-hall] 25 Jun 2020