光子盒研究院

马萨诸塞大学助理教授Tigran Sedrakyan在内的一个物理学家团队最近在《自然》杂志上宣布，他们已经发现了一种新的物质阶段——“手性玻色液态(chiral Bose-liquid state)”，这一突破为理解物理世界本质的古老努力开辟了一条全新道路。

团队包括南京大学理论物理学家Rui Wang、Baigeng Wang、马萨诸塞大学助理教授Tigran Sedrakyan、南京大学实验物理学家杜灵杰和北京大学杜瑞瑞。

在日常条件下，物质可以是固体、液体或气体。但是，一旦超越了日常、进入接近绝对零度的温度、接近小于一个原子的一小部分的东西，或者具有极低的能量状态，世界看起来就非常不同了。研究团队表示，“在这些边缘地带发现的物质的量子状态，它们会比我们在日常生活中遇到的三种经典状态要‘疯狂’得多。”

Sedrakyan团队花了多年时间探索这些狂野的量子态，他们对物理学家所说的强相互作用的量子物质中的“带状简并(band degeneracy)”、“色散能带(moat band)”或 “kinetic frustration”的可能性特别感兴趣。

通常情况下，任何系统中的粒子都会相互碰撞，这样做会引起可预测的效果：就像台球相互碰撞、然后以可预测的模式进行反应。换句话说，这些效应和粒子是相关的。但在一个阻挫的量子系统中，有无限的可能性源自粒子的相互作用（类似于台球会悬浮或以一个不可能的角度放大），这些无限的可能性中的一些会导致新的量子状态。

Sedrakyan和他的同事所做的是设计一个阻挫机(frustration machine)：一个双层半导体设备。顶层是富含电子的，这些电子可以自由移动；底层充满了“洞(hole)”，或者说一个游动的电子可以占据的地方。然后这两层被极度靠近——原子间靠近。

InAs/GaSb量子阱中的有限动量激子。

激子色散能带和ETO机制

如果顶层的电子数量和底层的“空洞”数量相等，那么逻辑上会期望看到粒子以一种相关的方式行动，但是Sedrakyan和他的同事设计了底层，使底层的电子和空洞数量之间存在着局部不平衡。Sedrakyan说：“这就像一场音乐椅游戏，旨在阻挫电子；每个电子不是有一把椅子可以坐，而是现在必须争抢，在他们‘坐’的地方有许多可能性。”

这种阻挫开启了新颖的手性边缘态(chiral edge state)，它有许多令人惊讶的特点。例如，如果你将手性状态下的量子物质冷却到绝对零度，电子会冻结成一种可预测的模式，这种状态下出现的电荷中性粒子都会顺时针或逆时针旋转。即使你把另一个粒子砸向这些电子中的一个、或者引入一个磁场，也不能改变它的自旋：它出奇地坚固，甚至可以用来以容错的方式对数字数据进行编码。

更令人惊讶的是，当一个外部粒子确实砸到手性边缘态的粒子之一时，会发生什么？回到台球的比喻上，当母球砸到八号球时，你会期望它飞起来；但是，如果台球处于手性玻色液态，那么当八号球被击中时，所有15个台球的反应都会完全相同。这种效应的出现是由于这个量子系统中存在的长程纠缠。

色散能带的效果图，它使粒子阻挫并导致手性玻色液态。

很难观察到手性玻色液态，这就是为什么它被隐藏了这么久。为此，科学家团队包括南京大学理论物理学家Rui Wang和Baigeng Wang以及南京大学实验物理学家杜灵杰和北京大学杜瑞瑞设计了一个理论和实验，使用一个极强的磁场，能够测量电子的运动。

“在半导体双层的边缘，电子和空穴以相同的速度移动，”杜灵杰说：“这导致了螺旋状的传输，随着电子和空穴通道在更高的磁场下逐渐分离，它可以被外部磁场进一步调控。”

因此，磁传输实验成功地揭示了手性玻色液态（或激子拓扑秩序excitonic topological order）的第一个证据，作者在发表的论文中也表示，“这一工作为研究固态中的拓扑和相关玻色子系统开辟了新的方向，超越了对称保护的拓扑相的框架——包括但不限于玻色子分数量子霍尔效应。”

参考链接：

[1]https://phys.org/news/2023-06-experimental-physicists-quantum-frustration-fundamental.html

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06065-w