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霍尔效应是指当电流通过置于磁场中的材料时,电子受到洛伦兹力的作用,在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。这个效应由霍尔在1879年发现,并被广泛应用于电磁感测领域。1980年,冯·克利钦发现在极低温和强磁场条件下,霍尔效应出现整数量子化的电导率平台。这一新现象超出了经典物理学的描述,被称为整数量子霍尔效应,它为精确测量电阻提供了标准。1981年,崔琦和施特默发现了分数量子霍尔效应。整数和分数量子霍尔效应的发现分别获得1985年和1998年诺贝尔物理学奖。
此后四十余年间,分数量子霍尔效应尤其受到了广泛的关注。由于最低朗道能级简并电子的相互作用,分数量子霍尔态展现出非平庸的多体纠缠,对其研究所衍生出的拓扑序、复合费米子等理论成果逐渐成为多体物理学的基本模型。与此同时,分数量子霍尔态可激发出局域的准粒子,这种准粒子具有奇异的分数统计和拓扑保护性质,有望成为拓扑量子计算的载体。
传统的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下”的方式,即在特定材料的基础上,利用该材料已有的结构和性质实现制备量子霍尔态。通常情况下,需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场,对实验要求较为苛刻。此外,这种方法缺乏对系统微观量子态进行单点位独立操控的手段,一定程度上限制了其在量子信息科学中的应用。
为解决这一重大挑战,团队在国际上自主研发并命名了一种新型超导量子比特Plasmonium,打破了目前主流的Transmon量子比特相干性与非简谐性之间的制约,用更高的非简谐性提供了光子间更强的排斥作用。进一步,团队通过交流耦合的方式构造出作用于光子的等效磁场,使光子绕晶格的流动可积累Berry相位竞彩进球数,解决了实现光子分数量子反常霍尔效应的两个关键难题。同时,这样的人造系统具有可寻址、单点位独立控制和读取,以及可编程性强的优势,为实验观测和操纵提供了新的手段。
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