凝聚态物理领域的量子霍尔效应的相关研究曾经三获诺奖，一次是二维电子系统中量子霍尔效应的发现，一次是分数量子霍尔效应的发现。但是这两次发现都是在强磁场情况下产生的现象。还有一次则是与量子霍尔效应相关的理论发现。近日，上海交通大学李听昕、刘晓雪团队发现并验证零磁场条件下分数量子反常霍尔效应的存在的成果发表在物理学研究领域的著名期刊《物理学评论X》上，并被重点推荐。

9月28日，记者从上海交通大学李政道研究所获悉，这一成果在该领域内实现了突破性进展，而且团队通过原创的新型器件的制备方法为后续的一系列研究铺平了道路。该研究开启了零磁场条件下研究分数电荷激发、任意子统计等新奇物性的大门，为拓扑量子计算等研究提供了新的可能与机遇。

据了解，量子霍尔效应是一种在外加强磁场下由于朗道能级量子化导致的无耗散的量子输运特性。然而，外加强磁场这一需求极大限制了该效应的实际应用前景。近几十年来，探索无磁场的量子霍尔效应，即量子反常霍尔效应，吸引了众多物理学家的关注，并在理论和实验上都取得了很大进展。

2021年，美国康奈尔大学的Kin Fai Mak、Jie Shan研究团队和上海交通大学的李听昕、姜生伟研究团队合作，基于二维半导体材料莫尔超晶格系统（AB堆垛的MoTe2/WSe2），实现了拓扑性质高度可调的能带结构并观测到整数量子霍尔效应。这一工作发表在《Nature》杂志上，李听昕和姜生伟是文章的共同第一作者。这些研究工作也为进一步在二维材料莫尔超晶格系统中寻找分数量子反常霍尔效应奠定了基础。

石墨烯材料本身具有一些非常有趣的物理性质，但当两层石墨烯放在一起并旋转一个特定角度（后来称之为魔角）时，会出现新的周期性结构，即莫尔超晶格。这种莫尔超晶格能够极大地改变材料的能带结构及其物理性质。因此，魔角石墨烯在零磁场下展现出许多普通石墨烯不存在的性质。

李听昕介绍说，他们团队（实验）与美国田纳西大学张阳团队（理论）合作，设计制备了新型转角MoTe2莫尔超晶格器件，通过开展电学输运实验，直接观测到分数量子反常霍尔效应存在的确凿证据。

“在研究过程中，我们面临了诸多挑战和困难。回国后，我们发现该领域的国际竞争异常激烈，几个月内，各个研究团队就开始不断涌现出各种研究成果。为了抓住这个机会，我们一方面要在科学上做到严谨准确，另一方面还要保证一定的研究速度。这对我们团队以及我们的学生来说都是一个巨大的挑战。当时国际上同期两个独立实验工作之一，另一实验工作由美国华盛顿大学Xiaodong Xu研究团队完成，他们大约比我们发表论文提前了一周。”李听昕表示，令人欣慰的是，他们的团队、两位指导老师以及学生们都付出了非常艰苦的努力，最终在国际上也率先发表了这一成果。

李听昕和刘晓雪

据悉，论文发表在“物理学评论X”（Physical Review X 13, 031037 (2023)）上，并被编辑以Featured in Physics 形式重点推荐；Nature出版的“news & views”评论文章认为两项研究工作为分数量子反常霍尔效应提供了确定性的证据（smoking-gun signature）。该项成果得到了审稿人的高度评价，被认为是领域内的突破性进展，且原创的新型器件制备方法为后续一系列围绕分数量子反常霍尔效应的研究铺平了道路。该研究开启了零磁场条件下研究分数电荷激发、任意子统计等新奇物性的大门，为拓扑量子计算等研究提供了新的可能和机遇。

李听昕解释说，量子计算作为下一代计算技术备受瞩目，但目前仍存在量子比特保真度的问题。拓扑量子计算是从物理原理上解决保真度的问题，从理论上非常出色。然而，目前这一领域还停留在理论上，需要更多的研究和实验验证。“如果能做出拓扑量子比特，无论能否实用，在物理学上都将具有重要意义。未来，随着更多的研究和资金投入，拓扑量子计算有望成为现实。”

文、图/广州日报·新花城记者：陈庆辉
广州日报·新花城编辑：林传凌