任意子：物理学家为长期寻找的2D结构找到了迄今最好的证据

物理学家报告了第一个无可辩驳的证据，证明存在被称为任意子的不寻常的类似粒子的物体，这是40多年前首次提出的。任意子是越来越多的被称为准粒子的现象的最新成员，准粒子不是基本粒子，而是固体设备中许多电子的集体激发。他们的发现-使用2D电子设备-可能代表着使任意子成为未来量子计算机基础的第一步。

英国牛津大学的理论物理学家史蒂文·西蒙(Steven Simon)说：“这看起来确实是一件大事。”这些结果尚未经过同行评审，已于上周发布在arxiv预印本储存库1上。

已知的准粒子表现出一系列奇异的行为。例如，磁性单极准粒子只有一个磁极-不像所有的普通磁铁，它总是有一个北方和一个南方。另一个例子是Majorana准粒子，这是它们自己的反粒子。

任意子更是独一无二。所有基本粒子都可以分为两种可能的类型--费米子和玻色子。任意子都不是。费米子(包括电子)的定义属性是费米统计：当两个相同的费米子交换空间位置时，它们的量子力学波-波函数-被旋转180度。当玻色子交换位置时，他们的波不会改变。切换两个任意子应该会产生某种中间角度的旋转，这种效应被称为分数统计，这种效应不可能在三维空间发生，而只能作为限制在二维运动的电子的集合态发生。

分数统计是任意子的定义属性，由印第安纳州西拉斐特普渡大学(Purdue University)的实验物理学家迈克尔·曼夫拉(Michael Manfra)领导的最新工作是首次如此确凿地测量到分数统计。

准粒子在交换位置时的不同寻常的行为意味着，如果一个粒子围绕另一个粒子绕着另一个完整的圆周运动-相当于两个粒子交换了两次位置-它将在量子态下保留对那次运动的记忆。这种记忆是实验者们一直在寻找的分数统计的迹象之一。

曼夫拉和他的团队制造了一种由砷化镓和砷化铝镓组成的薄层结构。它限制电子在两个维度上运动，同时保护它们不受器件其余部分杂散电荷的影响。然后，他们将其冷却到比绝对零度高出千分之一度，并添加了一个强大的磁场，产生了一种被称为“分数量子霍尔”(FQH)绝缘体的物质状态，这种绝缘体的特点是没有电流可以在二维设备的内部运行，但可以沿着边缘运行。FQH绝缘体可以容纳电荷不是电子电荷倍数，而是1/3的准粒子：长期以来，人们一直怀疑这些准粒子是任意子。

为了证明它们确实是任意子，研究小组蚀刻了该装置，以便它可以沿着两条可能的边缘路径将电流从一个电极输送到另一个电极。他们通过改变磁场和增加电场来调整条件。这些调整预计会产生或摧毁内部的任意子状态，也会产生运行在电极之间的任意子。因为移动的任意子有两条可能的路径，每条路径都会在它们的量子力学波中产生不同的扭曲，当任意子到达终点时，它们的量子力学波就会产生一种称为睡衣条纹的干涉图案。

此图案显示了两条路径之间的相对旋转量如何随电压和磁场强度的变化而变化。但干扰也表现出跳跃，这是材料主体中任意子出现或消失的确凿证据。

西蒙说：“据我所知，这是对任意子的非常可靠的观察--直接观察到它们的定义性质：当一个任意子绕着另一个任意子运行时，它们积累了一个分数相位。”

这并不是研究人员第一次报告分数统计的证据。新泽西州默里希尔诺基亚贝尔实验室的物理学家罗伯特·威利特(Robert Willett)说，他的团队在2013年看到了分数统计的“有力证据”3。

其他研究小组也探索了一种不同的性质，使任意子成为费米子和玻色子之间的中间粒子。费米子遵循泡利不相容原理：没有两个费米子可以占据完全相同的量子态。但是玻色子没有这样的限制。任意子位于中间--它们确实聚集在一起，但没有玻色子那么多，正如四月份发表在“科学”杂志2上的一项实验所描述的那样。巴黎索邦大学(Sorbonne University)的实验学家格温达尔·费夫(Gwendal Feve)领导了这项研究，他说：“这与我们在同一装置中也可以探测到的费米子行为有着惊人的不同。”

但一些理论物理学家说，这些和其他实验中的证据，虽然令人震惊，但并不是决定性的。德国莱比锡大学的凝聚态理论家Bernd Rosenow说：“在很多情况下，有几种方法来解释一个实验。”但罗塞诺说，曼夫拉团队报告的证据，如果得到证实，是毫不含糊的。“我不知道对这个实验的解释是合理的，而且不涉及分数统计。”

这项工作潜在地为任意子的应用奠定了基础。西蒙和其他人发明了一些精心设计的方案，将任意子用作量子计算机的平台。成对的准粒子可以在它们的记忆中编码关于它们是如何围绕着彼此旋转的信息。因为分数统计是“拓扑的”--它取决于任意子绕着另一个任意子转的次数，而不是它的路径的微小变化--它不受微小扰动的影响。这种健壮性可以使拓扑量子计算机比目前容易出错的量子计算技术更容易扩大规模。微软(聘请Manfra作为顾问)一直在寻求量子计算的拓扑路径，而包括IBM、英特尔、谷歌和霍尼韦尔在内的其他大公司也投资了其他方法。

拓扑量子计算将需要比Manfra和他的同事所展示的更复杂的任意子；他的团队现在正在重新设计他们的设备来做到这一点。尽管如此，研究人员警告说，任何应用程序都还有很长的路要走。“即使有了这个新的结果，也很难看到[分数量子霍尔]任意子成为量子计算的有力竞争者，”西蒙说。

但准粒子的独特物理是值得探索的：“对我来说，作为一名凝聚态理论家，它们至少和希格斯粒子一样迷人和奇特，”罗塞诺说。