40年前,物理學界家就預測了任意子(anyons)的存在。但知道最近,物理學家才宣布找到了任意子存在的第一個確切證據。
任意子不是基本粒子,而是準粒子的一種。任意子的發現,意味著任意子作為未來量子計算機基礎的探索,前進了一大步。
基本粒子都屬於兩種類型的粒子家庭——費米子和玻色子。但任意子既不屬於費米子,也不屬於玻色子。
費米子(比如電子)的定義性質是費米統計,即當兩個相同的費米子切換空間位置時,它們的量子力學波函數旋轉180度。當玻色子交換位置時,它們的波函數不變。
但任意子在切換兩個正弦時,會產生一個中間角度的旋轉,這種效應稱為分數統計。準粒子在切換位置時的異常行為意味著,如果一個粒子繞另一個粒子繞一個完整的圓周運動(相當於兩個粒子切換位置兩次),它將在其量子狀態下保留該運動的記憶。
物理學家製造了一個砷化鎵和砷化鋁鎵構成的薄層結構。這個結構將電子限制在二維方向上移動。然後,科學家將其冷卻到比絕對零度高出千分之一度的溫度上,並添加了一個強磁場,從而產生了「分數量子霍爾效應」的絕緣子狀態。
這種狀態有兩大特性:一,電子可以沿二維設備邊緣運行;二,絕緣子可以容納帶電荷的準粒子,該電荷不是電子電荷的倍數,而是電荷的三分之一。
為了證明它們確實存在,該團隊蝕刻了該設備,以便它可以將電流從一個電極沿著兩個可能的邊緣路徑傳輸到另一個電極。由於任意子移動有兩條可能路徑,而每條路徑都會在其量子力學波函數中產生不同的扭曲,所以當任意子到達終點時,它們的量子力學波會產生一種稱為睡衣條紋的幹涉圖案。
該工作可能為應用任意子奠定基礎,特別是將任意子用作量子計算機的基礎平臺。