哥伦比亚大学工程和应用科学学院 发现单层半导体是分数量子霍尔态的接近理想的平台，分数量子霍尔态是在大的垂直磁场下出现的量子液体
这张图片展示的是单层WSe2中的“复合费米子”，这是一种由电子之间的强相互作用形成的准粒子，负责分数量子霍尔态序列
学分:科里·迪恩/哥伦比亚大学 哥伦比亚大学的研究人员报告说，他们首次在单层二维半导体中观察到了一种被称为分数量子霍尔态(FQHS)的量子流体，这是物质最微妙的阶段之一
他们的发现证明了二维半导体的优异内在质量，并将其确立为量子计算未来应用的独特测试平台
这项研究今天在线发表在《自然纳米技术》杂志上
哥伦比亚大学物理学教授科里·迪恩说:“我们非常惊讶地观察到二维半导体的这种状态，因为人们普遍认为它们太脏、太无序，无法产生这种效应。”
“此外，我们实验中的FQHS序列揭示了我们从未见过的意想不到且有趣的新行为，事实上表明二维半导体是进一步研究FQHS的接近理想的平台
" 分数量子霍尔态是一种集体现象，当研究人员将电子限制在一个薄的二维平面内移动，并使它们受到大磁场的作用时，就会出现这种现象
分数量子霍尔效应最早于1982年被发现，至今已被研究了40多年，但许多基本问题仍然存在
其中一个原因是国家非常脆弱，只出现在最干净的材料中
哥伦比亚工程大学机械工程教授吉姆·霍恩指出:“因此，对二维材料的观察通常被视为一个重要的里程碑——只有最干净的电子系统才能达到这一目标。”
虽然石墨烯是最著名的二维材料，但在过去的10年里，已经发现了大量类似的材料，所有这些材料都可以剥离到单层厚度
这些材料中的一类是过渡金属二硫化物(TMD)，如WSe2，在这项新研究中使用的材料
像石墨烯一样，它们可以被剥离成原子一样薄，但是不像石墨烯，它们在磁场下的性质要简单得多
面临的挑战是晶体质量不是很好
“自从TMD出现以来，它一直被认为是一种有许多缺陷的脏材料，”Hone说，他的团队对TMD的质量进行了重大改进，使其质量接近石墨烯——石墨烯通常被认为是二维材料纯度的最终标准。
除了样品质量之外，半导体二维材料的研究还受到难以形成良好电接触的阻碍
为了解决这个问题，哥伦比亚大学的研究人员还开发了通过电容测量电子特性的能力，而不是传统的流动电流和测量电阻的方法
这种技术的一个主要好处是测量对不良的电接触和材料中的杂质不太敏感
这项新研究的测量是在国家强磁场实验室在非常大的磁场下进行的，这有助于稳定磁场
“我们观察到的表征FQHS的分数——粒子与磁通量的比值——遵循一个非常简单的顺序，”该论文的第一作者、哥伦比亚纳米计划博士后研究员钱慧·施说
“简单的序列与一般的理论预期一致，但是所有以前的系统都表现出更加复杂和不规则的行为
这告诉我们，我们终于有了一个研究FQHS的近乎理想的平台，在这里实验可以直接与简单的模型相比较
" 在小数中，有一个有偶数分母
迪恩说:“观察分数量子霍尔效应本身就令人惊讶，在这些设备中看到偶数分母状态确实令人惊讶，因为以前这种状态只在最好的设备中观察到。”
自20世纪80年代末首次发现以来，具有偶数分母的分数态受到了特别的关注，因为它们被认为代表了一种新的粒子，一种具有不同于宇宙中任何其他已知粒子的量子特性的粒子
利兹大学理论物理学副教授兹拉特科·帕皮茨指出，“这些奇异粒子的独特性质可以用来设计量子计算机，避免许多误差来源。”
" 到目前为止，理解和利用偶数分母态的实验努力受到了它们的极端敏感性和极少数能发现这种状态的材料的限制
“这使得在一个新的——和不同的——物质平台上发现均匀分母态，真的非常令人兴奋，”迪恩补充道
哥伦比亚大学的两个实验室——迪安实验室和霍恩小组——与提供部分材料的NIMS日本公司和Papic公司合作，Papic公司的小组对实验进行计算建模
两个哥伦比亚实验室都是该大学材料研究科学与工程中心的一部分
该项目还使用了哥伦比亚纳米倡议和城市学院的洁净室设施
大磁场测量是在国家强磁场实验室进行的，这是一个由国家科学基金会资助的用户设施，总部设在佛罗里达州塔拉哈西的佛罗里达州立大学
现在研究人员有了非常干净的二维半导体和有效的探针，他们正在探索从这些二维平台中出现的其他有趣的状态
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