摘要：分数量子霍尔（FQH）效应是二维电子系统在强磁场作用下出现的一个重要物理现象，因其展示出分数电荷和分数交换统计的准粒子而成为了研究热点。FQH态的低能激发具有任何子统计，具有潜在的拓扑量子比特应用前景，尤其在量子计算领域具有重要的研究价值。然而，FQH态的物理

研究背景

分数量子霍尔（FQH）效应是二维电子系统在强磁场作用下出现的一个重要物理现象，因其展示出分数电荷和分数交换统计的准粒子而成为了研究热点。FQH态的低能激发具有任何子统计，具有潜在的拓扑量子比特应用前景，尤其在量子计算领域具有重要的研究价值。然而，FQH态的物理特性和激发行为仍面临许多挑战，尤其是如何通过局部实验手段探测和操控这些拓扑激发。传统的宏观平均实验虽能揭示FQH态的一些基本特征，但缺乏对准粒子和局部缺陷的细致探测。

成果简介

为了克服这一问题，普林斯顿大学物理系Ali Yazdani院士团队、Yuwen Hu（北大校友）等携手在Nature Physics期刊上发表了题为“High-resolution tunnelling spectroscopy of fractional quantum Hall states”的最新论文。科学家们利用扫描隧道显微镜（STM）和扫描隧道光谱（STS）技术，开展了对超洁净伯纳尔堆叠双层石墨烯（BLG）样品的FQH态研究。通过这些技术，研究者成功地揭示了具有较大能隙的非阿贝尔分数量子霍尔态，这些能隙比其他材料平台如半导体异质结构中的FQH态要大五倍，显示出BLG作为操控这些准粒子的理想平台。

此外，研究还发现了之前未观察到的新的分数量子霍尔态，为理解这一现象提供了新的实验数据，并为量子计算提供了潜在的应用途径。

研究亮点

1. 实验首次在超干净的双层石墨烯设备中，利用高分辨率扫描隧道显微镜（STM）和光谱技术，观察并研究了分数量子霍尔（FQH）态，得到了候选非阿贝尔分数量子霍尔态的能隙数据，这些能隙比其他相关系统（如半导体异质结构）大五倍，表明双层石墨烯是操控这些准粒子和实现拓扑量子比特的理想平台。

2. 实验通过STM和隧道光谱测量，揭示了在N = 0 Landau能级中，0

3. 实验通过扫描隧道显微镜揭示了原子尺度的波函数成像，成功捕捉了N = 0和N = 1 Landau能级下的量子霍尔态，明确了不同层之间的能隙分布和层间相互作用。此外，针对双层石墨烯的独特物理环境，实验进一步探讨了电介质环境对分数量子霍尔态的影响，为未来拓扑量子比特的实现提供了理论支持和实验依据。

图文解读

图1：实验设置和零场及低磁场下的隧道谱。

图2：在B = 10T下，N = 0和1 Landau能级下的原子波函数成像。

图3：N = 0 Landau能级下0

图4：N = 1 Landau能级下−1

图5：N = 2 Landau能级下4

结论展望

本文通过高分辨率扫描隧道显微镜（STM）和光谱技术，研究者成功地在超洁净的伯纳尔堆叠双层石墨烯（BLG）中观测到了分数量子霍尔态，并发现了大能隙的候选非阿贝尔分数态，这为操控准粒子和实现拓扑量子比特提供了理想平台。这一发现不仅验证了BLG作为拓扑量子比特平台的潜力，还揭示了STM在局部探测和表征FQH态中的独特优势，能够避开传统传输测量中因样品缺陷带来的干扰。

此外，本文还观察到在较高的Landau能级（如N = 2）中，出现了以前未发现的偶分母FQH态，表明BLG中可能存在新的复合费米子配对态。研究表明，BLG不仅能为FQH态提供更稳定的实验条件，还为探索拓扑量子计算中的非阿贝尔任何子提供了更广阔的实验空间。这些发现为进一步发展量子计算技术及其应用奠定了理论基础，并启示了未来在新材料平台上寻找和操控奇异量子态的新路径。

文献信息

Hu, Y., Tsui, YC., He, M. et al. High-resolution tunnelling spectroscopy of fractional quantum Hall states. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-02830-y

来源：华算科技