在偶分母分?jǐn)?shù)量子霍爾系統(tǒng)中，非阿貝爾任意子的位置交換，會以拓?fù)浔Ｗo的方式影響系統(tǒng)量子態(tài)。通過干涉實驗，可直接研究獨特的統(tǒng)計性質(zhì)，這為在偶分母分?jǐn)?shù)量子霍爾系統(tǒng)中，觀測預(yù)期表征提供了契機。

　　近日，以色列魏茨曼科學(xué)研究所Jehyun Kim, Himanshu Dev，Yuval Ronen等在Nature上發(fā)文，利用法布里-珀羅干涉技術(shù)，基于高遷移率雙層石墨烯的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，觀測到了兩個偶分母分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)的相干阿哈羅諾夫-玻姆干涉。

　　通過在恒定填充因子下運行干涉儀，實驗觀察到了干涉環(huán)內(nèi)，磁通量子數(shù)為二的振蕩周期ΔΦ = 2Φ?，該干涉并不攜帶非阿貝爾統(tǒng)計特征。預(yù)期ΔΦ = 4Φ?周期性的缺失，可能表明干涉準(zhǔn)粒子攜帶電荷e* = ?e，或 e* = ?e準(zhǔn)粒子的干涉被熱效應(yīng)模糊。在兩個空穴共軛態(tài)中，同樣觀測到了預(yù)期值一半的振蕩周期，表明該處發(fā)生的是 e* = ?e準(zhǔn)粒子干涉而非e* = ?e準(zhǔn)粒子干涉。

　　為了探究統(tǒng)計相位貢獻，通過控制填充因子偏離值運行法布里-珀羅干涉儀，從而在干涉環(huán)內(nèi)，引入分?jǐn)?shù)量子化準(zhǔn)粒子。兩個半填充態(tài)干涉圖樣的變化均表明，額外引入的體準(zhǔn)粒子攜帶基本電荷e* = ?e，這符合非阿貝爾任意子的理論預(yù)期。

　　Aharonov–Bohm interference in even-denominator fractional quantum Hall states.

偶分母分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)中的阿哈羅諾夫-玻姆干涉。

圖1｜基于雙層石墨烯的法布里-珀羅干涉儀結(jié)構(gòu)。

圖2｜偶分母阿哈羅諾夫-玻姆干涉。

圖3｜不同分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)中，e* = νLLe準(zhǔn)粒子的量子干涉

圖4｜分?jǐn)?shù)量子化準(zhǔn)粒子干涉中的統(tǒng)計相位貢獻。

實驗采用高遷移率范德華異質(zhì)結(jié)，以雙層石墨烯為活性二維層，上下分別封裝六方氮化硼（hBN）作為介電層，最外側(cè)為石墨柵極，形成“三明治”結(jié)構(gòu)。通過電子束光刻與反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)制備了寬度僅40納米的柵極溝道，構(gòu)建了由八個獨立柵極調(diào)控的Fabry–Pérot干涉儀。在10 mK超低溫和12 T強磁場下運行，通過精密調(diào)控柵極電壓與磁場，實現(xiàn)Aharonov–Bohm干涉與統(tǒng)計相位測量。

文獻鏈接

Kim, J., Dev, H., Shaer, A. et al. Aharonov–Bohm interference in even-denominator fractional quantum Hall states. Nature649, 323–329 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09891-2

本文譯自Nature。

來源：今日新材料