3/2偶数分母量子霍尔平台的实验观测

从理论物理学家安德森“more is different”的观点提出以来，人们越来越多地意识到多体系统中可以出现丰富的、与单个粒子性质不同的新物理规律。在二维自由电子系统中，大量相互作用的二维电子构成一个强关联体系。在特定条件下，系统哈密顿算符中的电子间长程库伦相互作用主导了系统的物理性质。这是一个无参数的理论问题，也是一个无法微扰处理的问题。多体问题的复杂和有趣在这里体现得淋漓尽致：携带单位电荷的一群电子可以产生携带小于单位电荷的准粒子。

极低温强磁场中的超高迁移率二维电子气可以出现分数量子霍尔效应。奇数分母的分数量子霍尔态有唯一的基态：复合费米子的整数量子霍尔效应或复合玻色子的玻色爱因斯坦凝聚。单层二维电子气中填充因子为5/2的分数态是罕有的偶数分母态的例子，它可能对应了p波配对的复合费米子，拥有拓扑保护的多简并基态波函数，其准粒子可能服从非阿贝尔统计。5/2态是第一个被认为可以用于拓扑量子计算的实验体系。3/2填充因子处，原有的实验结果和理论框架支持复合费米子海的解释，即不存在3/2分数态，也不应该存在分数量子霍尔平台。

图：不同门电压条件下的磁场依赖关系，随着门电压改变局域条件，5/3的量子霍尔平台逐渐演变为令人意外的3/2平台。[Nature Communications 10, 4351 (2019)]

量子材料科学中心于2016年观测到了3/2偶数分母分数量子霍尔平台，该工作于2017年10月投稿，2019年9月26日在线发表于《自然.通讯》（https://doi.org/10.1038/s41467-019-12245-y）。林熙课题组的付海龙（2017年毕业，现为Penn State University校级荣誉Eberly Research Fellow）为此现象的观测者，二维电子气样品由普林斯顿大学L. N. Pfeiffer提供。实验发现，3/2平台的量子化程度高达0.02%，只在二维电子气被局域的特定条件下出现，这意味着带合适边界条件的多体体系可能有与无边界条件时不一样的量子态存在。

当局域结构中形成3/2平台时，局域结构外是5/3分数态，所以1/6量子电导被反射了。1/6的量子电导不属于通常理论框架下的任何边界态，所以它的出现可能预示着新的边界态以及新的准粒子的出现。量子中心的谢心澄老师和他的学生吴宜家对此给出理论分析，提出隧穿强度的变化在局域结构附近引起拓扑相变，从而导致分数电荷的再次量子化。5/3分数态的准粒子携带的电荷是e/3，1/6电导的出现可能是5/3态的准粒子继续1/2量子化的结果，所以理论预言了一个携带e/6分数电荷的新激发。