物理

Les propriétés exotiques des 任何人se confirment

Entre fermions et bosons, les 任何人manifestent un comportement quantique collectif très particulier. Une équipe vient de le mettre en évidence grâce à un collisionneur d’électrons miniature.

肖恩·拜利
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Anyons

中’une partie d’é国际象棋,如果麻烦ête échange un pion blanc avec un pion noir, il change drastiquement la situation sur le 解放军teau. En revanche s’他倒转了两个相同的黑色典当’对游戏过程没有影响。À l’é微观尺度é改变两个相同的粒子可能有缺点é是否出现频率取决于这些粒子的性质。小号’il s’玻色子行为,例如光子,l’opération n’a pas d’影响。另一方面,对于费米子,例如é电子,它有作用。因此,玻色子和费米子之间的区别与它们的集体行为有关。我们将它们与量子统计联系起来« de Bose-Einstein »对于第一个« de Fermi-Dirac »对于后者。分为两组’applique dans notre monde en trois dimensions. Mais si on se 解放军ce dans un systè二维我,就像一个游戏’é微观象棋,研究人员’attendent à查看期中行为é费米子和玻色子之间的日记。 On parle alors d’anyons. Gwendal Fève,来自’École normale supérieure, et ses collègues ont mis en é显然,这种奇异的量子统计。

铁的离子或硼的性质’粒子对d至关重要éfinir ses caracté特征和行为。因此,费米子倾向于à se repousser et s’exclure (c’est le principe d’排除宝利)。此行为可解释许多phénomè例如东主été导电或绝缘垫é里奥就玻色子而言,它们不受制于’排除宝利和五月 重新组合。他们解释phénomè更像是多余的异国情调é ou la supraconductivité.

了解差异é引用这两个量子统计之间,我们必须检查一个系统è我包含难以区分的粒子。这个系统ème est dé由数学函数编写ématic,函数d’onde. Si l’on 整型ervertit deux particules, que se passe-t-il 对于 la fonction d’onde ?就玻色子而言,它保持不变。对于费米子,它变成相反的东西ée. Plus précisément, l’反转增加了一个相位à la fonction d’波。这个阶段是 0°玻色子和 180°对于费米子。在 1977年,乔恩·马格纳·莱纳阿斯(Jon Magne Leinaas)和扬·迈尔海姆(Jan Myrheim)从’université d’Oslo, ont montré que dans un système à二维的,有些obéissent à une statistique 整型ermé费米子和玻色子之间的日记。阶段花费n’之间的任何值 0° et 180°. En 1982年,诺贝尔物理学奖获得者Frank Wilczek给出了’anyons à ces objets (de l’anglais « any »,强调相位需要n’任何值)。

什么样的’objets s’agit-il ? Les 任何人ne sont pas des particules fondamentales comme des é电子或光子,但准粒子c’est-à-说问题中粒子的集体行为è回覆。在最著名的准粒子中,é写出振动’作为一种介质,半导体中的孔表示不存在’électrons, etc.

Les 任何人sont par exemple produits dans des dispositifs mettant en évidence l’量子霍尔效应。在 1980年德国物理学家克劳斯·冯·克里琴(Klaus von Klitzing),然后在国家磁场实验室任职étiques 整型enses, à Grenoble, a étudié un matériau conducteur (où les é电子自由循环,我们说气体d’é电子)二维主题à une température proche du zé绝对ro和磁场étique perpendiculaire 整型ense (de l’订购10特斯拉)。他找到é电导(l’inverse de la résistance)然后被量化ée :当磁场值增加时分阶段增加étique. C’est l’effet Hall quantique. La valeur de chaque 解放军teau est un multiple entier, noté v, d’恒定的幅度,平方él的基本费用’électron divisée由普朗克常数(e2/,’von Klitzing常数的倒数)。在这个装置中à cause du champ magnétique 整型ense, les électrons se dé放在小圆形路径上。其é然后量化能量ée在离散(Landau)水平和因数中 v 表示这些水平的填充’é可获得的能量é系统中的电子ème. Quand l’发生量子霍尔效应,électrons 整型eragissent trè彼此强烈地相生à des corrélations favorisant l’é奇异准粒子的出现。

两年后ès la dé由Horst St的Klaus von Klitzing报道ö贝尔实验室的rmer和Daniel Tsui,É美国,已投入é很明显,在特殊条件下ères, il était possible d’具有因子的量子霍尔效应 v 小数。« Ces é状态比较困难à obtenir que ceux àGwendal F解释整数因子有两个原因ève : ils né磁场停止étiques très puissants, à容量限制é在实验室,échantillons de très bonne qualité. »1983年,罗伯特·劳克林(Robert Laughlin)’université Stanford, a expliqué le phénomène où v 格式为1 /m (与 m 一个奇数整数)grâce à准粒子。他公关écisé这些准粒子带电荷é分数电(e /m的)é电子。弗兰克·威尔泽克然后展示了é在这种情况下,他们的统计阶段是é也分数(180°/m), 他是’agit donc d’anyons.

如果分数电荷具有été mise en évidence dès 1995年,来自’université Stony-Brook, aux É美国,分数统计n的签名’a pas été clairement établie. Jusqu’à présent, les chercheurs utilisaient des 整型erféromètres 对于 mesurer directement la phase des 任何ons. Mais de 姓breux effets rendent difficile cette caractérisation expérimentale.

2016年,Bertrand Halperin来自’université哈佛大学和两个大学ègues ont proposé d’é通过测量corr研究任何时间的统计量é这些准粒子碰撞过程中的相关关系。 VS’est l’接近Gwendal Fève et ses collègues ont mise en œ与对撞机一起工作’anyons dans un gaz d’é二维电子à l’intérieur d’une puce é几微米的电子è很长的制造é在纳米科学与纳米技术中心,à Palaiseau. L’整体冷却à une température de 30 Millikelvins和暴跌é dans un 马格菲尔德étique de 13 特斯拉。对撞机由两个é用作定向源的电极’électrons ou d’任何时间(取决于所应用的条件ées)。粒子或准粒子被发送ées朝向设备中心,où他们发生冲突。从技术上讲,三分之一ème électrode 解放军cée au centre, la sé参数,通道后的粒子è垂直方向的碰撞à l’axe d’测量电流的发生率é双向电动。

Image au microscope électronique (en fausses couleurs) du collisionneur 任何onique refroidi à 30 millikelvins et soumis à un 马格菲尔德étique de 13 teslas. Le gaz bidimensionnel d’électrons est représenté en bleu. Les quasiparticules se déplacent le long des canaux de bord (红色的)。两对电极 (金色,顶部和底部)的orientent 对于 entrer en collision au centre. Les deux électrodes (在碰撞点的左侧和右侧) canalisent les 任何人après la collision afin de mesurer les courants (带点).

H.Bartolomei等人,《科学》,2020年

在r条件下égime de l’整数量子霍尔效应,介质中的激发是électrons, donc des fermions. 中e la collision au centre du dispositif, les é电子,受制于’排除宝利,向后推,然后从相反的方向重新开始ées。研究人员放入é通过测量corr来证明这种效果é输出电流之间的关系’électrode séparatrice. À l’相反,玻色子像光子一样,后者会趋向于à se regrouper et à partir dans la même direction.

Collision 任何人puce

在图像的中心,发生冲突的芯片工作。

©Hubert Raguet / ENS‐PSL

Mais 对于 un régime d’分数量子霍尔效应(有一个因数 = 1/3),介质n中的激发性质’est plus fermionique, mais 任何onique. Les 任何人impliqué在碰撞中不会互相排斥é并可以重组。再次,测量corré电流之间的关系,Gwendal Fève et ses collègues ont observé公关之间的良好协议édictions thé兽人及其测量。他们因此投入évidence la statistique 整型ermé费米子和玻色子之间的日记。

这个résultat带路à d’autres expé会议。确实,因素 v peut prendre de 姓breuses valeurs, par exemple 2/3 ou 1/5. On s’attend ainsi à量子统计仍在é年金。一个案例可能会’ailleurs être très 整型éressant : pour = 5/2,单相不再足以满足écrire l’opé这两个粒子的排列比率,正好使我们能够éfinir les fermions, les bosons et les 任何ons. Cette nouvelle classe d’anyons (dits « non abéliens ») aurait des propriétés particulièrement 整型é与量子计算机有关。

Les 任何ons ont l’avantage de présenter des propriété的拓扑。在垫子上ériaux dits « topologiques », la fonction d’onde qui décrit l’ensemble du système présente des symétries particuliè赋予属性的资源étés globales au maté里奥例如,拓扑绝缘子是垫子é绝缘层体积大,但表面导电。大号’avantage des propriété拓扑s是’他们不是altérées受局部干扰 :例如杂质és locales n’不妨碍流通électrons à拓扑绝缘体的表面。

Un écueil des 量子计算机是对载有l的量子对象的操纵’信息。而’un bit d’经典信息都值得« 0 » soit « 1 »,一个量子比特(或量子比特)是dé通过这两个的叠加完成états « 0 » et « 1 » en même temps. C’这个叠加可以使à l’ordinateur d’ê可能比’用于某些计算的常规计算机。然而’é量子叠加态非常è易碎,丝毫干扰étruire (on parle de décohérence). D’où l’idée d’使用坚固的拓扑对象à局部干扰。但是,并非所有的拓扑对象都可以用来编码’信息。拓扑量子计算是基础é sur la réalisation d’opé编织准粒子轨迹的计算率。’espace-temps. Dit d’une autre façon, ces opé计算比率为éalisées en déplaçant ou é改变粒子在’随着时间的推移。达到à encoder de l’information en é变化的粒子,有必要这些操作érations d’é改变对功能d有作用’onde. C’任何时候都是这样。

然而,« l’ordre topologique des 任何人abéliens ne peut pas être mis à编码利润’信息,强调Gwendal Fève. Il faut utiliser des 任何人non abéliens où l’opération d’échange n’est pas dé由一个简单的阶段但由一个矩阵编写。 » C’这个矩阵对应吗à l’opération recherchée用于量子计算机。格温达Fève et ses collègues espèrent maintenant produire des 任何人non abé链接,这将朝’拓扑量子计算机。

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