双层石墨烯中的量子现象：准粒子以“上游”模式传递热能

近年来，一种称为量子霍尔效应（the quantum Hall effect）的现象已成为承载准粒子（quasiparticles）奇异特征的平台，其特性可能会在量子计算等领域带来令人兴奋的应用。

当向二维材料或气体施加强磁场时，界面处的电子与主体内的电子不同，它们可以在所谓的边缘模式或通道中沿着边缘自由移动——有点类似于高速公路车道。这种边缘运动是量子霍尔效应的本质，根据材料和条件的不同，还会产生许多有趣的特性。

对于传统电子，电流仅沿磁场指示的一个方向流动（“下游”）。然而，物理学家预测，一些材料可以具有反向传播通道，其中一些准粒子也可以沿相反（“上游”）方向传播。尽管这些上游通道引起了科学家们的极大兴趣，因为它们可以容纳多种新型准粒子，但由于它们不携带任何电流，因此很难识别它们。

在一项新的研究中，印度科学研究所(IISc)的研究人员和国际合作者提供了“确凿证据”，证明某些中性准粒子，在两层石墨烯中移动存在“上游”模式。为了检测这些模式或通道，该团队使用了一种新方法，该方法利用了电噪声——由散热引起的输出信号波动。

研究者解释，虽然“上游”激发方式是电荷中性的，但它们可以携带热能并沿上游方向产生噪声点。

准粒子主要是当像电子这样的基本粒子彼此相互作用，或与它们周围的物质相互作用时产生的激发。它们不是真正的粒子，但具有类似粒子的特性，如质量和电荷。最简单的例子是“空穴”——在半导体的给定能态中电子缺失的空位。它具有与电子相反的电荷，并且可以像电子一样在材料内部移动。成对的电子和空穴也可以形成准粒子，准粒子可以沿着材料的边缘传播。

在之前的研究中，研究人员已经表明，有可能检测到石墨烯中出现的准粒子，如马约拉纳费米子（Majorana fermions）。研究者希望利用这种准粒子最终构建容错量子计算机。

为了识别和研究这些粒子，检测能够承载它们的上游模式至关重要。尽管在基于砷化镓的系统中较早地检测到了这种上游模式，但迄今为止尚未在石墨烯和基于石墨烯的材料中发现这种模式，这在未来的应用中提供了更多的希望。

在这项研究中，当研究人员在两层石墨烯的边缘施加电势时，他们发现热量仅在上游通道中传输，并在该方向的某些“热点”处消散。在这些地方，热量产生了可以被电谐振电路和频谱分析仪拾取的电噪声。

另外，研究还发现，这些准粒子在上游通道中的运动是“弹道式”的——热能从一个热点流到另一个热点而没有任何损失，这与之前在基于砷化镓的系统中观察到的“扩散”传输不同。研究者表示，这种弹道运动也表明存在奇异状态和特征，这些状态和特征可以帮助在未来构建节能且无故障的量子组件。

题为Observation of ballistic upstream modes at fractional quantum Hall edges of graphene的相关研究论文发表在《自然-通讯》上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27805-4