任意子存在再添证据，这次看到干涉条纹！丨众妙之门

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此前法国的研究团队在微型二维粒子对撞机中发现了任意子存在的迹象，这一神奇的准粒子的发现相当于发现一种新的物质态，即拓扑物态，对凝聚态物理和量子材料有着深远意义。最近，来自普渡大学的研究团队发现测量拓扑材料边界的干涉现象，被认为可用任意子交换统计来解释，为任意子的存在再添了有力证据。

撰文 | 董唯元

如果说希格斯玻色子是粒子物理学家心中的天外飞仙，那么任意子（Anyon）就是凝聚态物理学家心中的古怪精灵。尽管在凝聚态物理的准粒子花园中，磁单极子、马约拉纳粒子（反粒子即为自身的粒子）等奇特的物种早已琳琅满目，但任意子仍是其中最惹人关注的一个。

任意子的身份归类就十分特殊。物理学家们本来已经将变化万千的粒子整齐的划分为费米子和玻色子两类，前者自旋为半整数，受著名的“泡利不相容原理”限制；后者自旋为整数，多个粒子可以不受限制的挤在同一量子态中。粗糙地说，在宇宙演化的大戏中，费米子扮演着“物质”的角色，玻色子扮演着“相互作用力”的角色。然而任意子却既非玻色子也非费米子，完全跳出了物理学家先前描画的框架。如果论及角色分工，种种迹象显示，任意子似乎与“纠缠关系”有着深刻的内在联系。

这很像生物学史上朊病毒的发现，生物学家们忽然意识到，除了DNA病毒和RNA病毒，世界上居然存在不带核酸只由蛋白质构建的大分子，也能具备复制和传播能力。这绝不仅仅是发现一个新病毒物种那么简单，而是暗藏着一系列关乎生命本质的基础性认知。同样，任意子的出现，也刷新了物理学家的认知。

由于任意子这种非常特殊的身份类别，使其自40年前被预言之后，就一直与分数化电荷、分数化自旋等诸多反常的物理现象紧密地联系在一起。这些现象就像神秘黑匣中隐约射出的一缕缕五彩光晕，强烈地吸引着研究者们靠近。现在物理学家们已经认识到，那个神秘的黑匣中隐藏着一种名为“拓扑序”的物理对象。如果某天可以将其彻底擒获，必然可以逼问出许多关乎宇宙万物乃至时空本质的秘密。

既然理论研究者对任意子如此关切，实验物理学家们自然也加紧了搜寻的步伐。今年4月份，一个法国团队就成功的实现了任意子对撞实验，从统计规律上证实了这种介于玻色子与费米子之间的准粒子。（详见《在微型粒子对撞机中寻找任意子+文小刚答疑  | 众妙之门》）

另外一个来自普渡大学的实验团队也不甘落后，他们在刚刚过去的6月底成功完成了任意子干涉实验，更加清晰直观地展示了任意子的存在证据^[1]。

普渡大学的研究者使用了与先前法国实验团队完全相同的GaAs/AlGaAs材料，并将温度降低到10mK，此时电子仍可以在这种材料的表面运动，但却无法潜入材料内部，也就说电子被束缚在一个二维世界中。

在三维世界中，由于粒子的全同性，互换一种玻色子的两个个体，并不会改变整体量子态，而互换一种费米子的两个个体只是使整体量子态掉头180°，也就是在整体波函数之前添加一个负号。然而在二维世界中，两个粒子互相更换座位之后，却会使整体量子态产生颇为任性的相位变化，这正是任意子得名的缘由。通俗地讲，就是二维世界中粒子间相互转圈的舞蹈，会使系统整体上凭空增加新的物理内容，物理学家将这些新内容等效为一种准粒子激发，这就是最初认识到任意子的起因之一。

在普渡大学的这次实验中，研究者让电子通过这个1μm见方的微型工作台，同时通过周边变化的磁场牵引着几乎冻僵的电子相互转圈，这样就在系统内产生或消除了任意子，也就是使量子态波函数相位发生了变化。

谈及量子态的相位变化，学习过量子力学的读者自然会联想到著名的Aharonov-Bohm效应。那种外界磁场对量子态相位隔山打牛一般的影响，使人对量子理论中的非定域关联印象深刻。普渡大学的这次任意子干涉实验，便是以此效应为基底。具体而言，就是Aharonov-Bohm效应会使干涉条纹随着外界磁场的变化而连续变化，而当一个任意子产生或消失时，干涉条纹就会在此处出现跳变。

经过实验，结果清楚地显示出干涉条纹跳变，而且跳变位置所对应的任意子相位角为  ，完全吻合此前理论研究者关于GaAs/AlGaAs中任意子相位  的理论推算。这一结果也是自任意子被预言近40年来，最清晰直接的一次实锤。

虽然说“这理论（模型）有什么用”是被归类为“一句话惹恼理论物理学家”的禁语，但研究任意子及其相关理论的工作者并不怕回答这类问题。事实上，这一研究领域正在受到越来越多科学界的关注。任意子这种新粒子的背后，不仅有“拓扑序”和“拓扑物态”这一系列新的物理对象和规律，而且也为量子计算提供了更有力的技术基础。

基于拓扑态所构建的量子位（Qubit），其状态可以被对称性或拓扑序所保护，天生对恼人的退相干和环境干扰具备超强的免疫能力，所以相较第一代量子计算技术有非常明显的优势。微软、谷歌等IT巨头都已经纷纷投入资源开始进行“拓扑量子计算”的研究，国内的相关研究也进展得如火如荼。相信在不久的将来，由任意子承载的计算技术，也会进入到我们的日常生活。

文小刚：给专业研究者的后记

本文介绍了一个探测任意子的新的研究成果。任意子是材料中拓扑序的反映，所以这一工作也是发现探索拓扑物态中崭新的量子现象的工作。这一工作的研究人员利用样品体中的任意子的交换统计，来解释实验观测到的干涉现象。其实实验测量的是拓扑序边界态的两点隧穿电导，因此其测量的是边界态的干涉现象。严格来说，用体中的任意子的交换统计来解释实验结果，不是非常合适。

其实拓扑序中的任意子及其边界态，是拓扑序这一多体量子效应的，两个不同的反映，就像是同一钱币的两个面。拓扑序体中出现任意子，会对其边界态的构型产生影响。体中不同的任意子，导致不同的边界态构型。而不同的边界态构型会导致不同的边界态的两点隧穿电导。本文介绍的实验发现，正是利用这些联系，通过测量边界态的两点隧穿电导，来间接的发现样品体中的任意子。所以为了理解这一实验测量我们不仅需要拓扑序体中的任意子理论，我们还需要拓扑序的边界态理论。幸运的是拓扑序理论发现30多年来，它的任意子理论和边界态理论都已经发展得很成熟了。

参考文献

[1] arXiv:2006.14115v1 [cond-mat.mes-hall] 25 Jun 2020

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