2026年7月16日——去年，哥伦比亚大学的研究人员在一类特殊的二维材料中发现了十几种新的量子态“物种”，拓展了“量子动物园”的版图。这类材料在堆叠并扭转时会形成莫尔超晶格。以朱晓阳为首的研究团队正忙于深入了解这些此前隐藏的量子态，其中一种可能正是分数量子拓扑绝缘体。

哥伦比亚大学纳米科学霍华德家族教授朱晓阳表示：“这很可能是人们梦寐以求的量子相——分数量子拓扑绝缘体的首个实验证据。过去15年间，这一量子相始终停留在理论预测阶段。”

分数量子拓扑绝缘体在二维体相中表现为绝缘体，但通过“螺旋边缘模式”导电，这种模式描述的是反向传播的“自旋向上”和“自旋向下”通道，它们能保持一种称为“时间反演对称性”的物理定律。这种量子态的拓扑性质可能使这些边缘电流对材料中的缺陷和外部干扰具有鲁棒性。量子计算领域对拓扑态兴趣浓厚，希望借此在存储和处理量子信息的同时，最大限度地减少错误。

这篇论文于今日发表在《物理评论X》期刊上，由研究生吉莉安·米纳里克和博士后王艺平共同领导，两人同为第一作者。他们改进了实验室中极为灵敏的泵浦-探测光谱技术，利用圆偏振光来探测“莫尔”超晶格中的磁性。超晶格因电子相互作用的增强而展现出涌现性质。在掺杂了过量电子或空穴后，超晶格会迫使这些载流子以集体方式排列，形成多种量子相。

米纳里克和王艺平关注的量子态出现在每莫尔晶胞掺杂⁴⁄₃个空穴（即电子空位）时。米纳里克解释说，从理论上讲，这种⁴⁄₃分数态可以由两个已知的2/3分数量子态（即分数陈绝缘体）组合而成。在自旋相反的陈绝缘体中，自旋应相互抵消，产生零净磁化强度，研究团队最初观察到的结果与此一致，也符合时间反演对称性保持的特征。但当团队施加一个微小的磁场后，样品变得具有磁性，这一结果对莫尔系统而言出人意料。这种转变虽然脆弱且转瞬即逝，却十分清晰。

这些结果出现在扭转角介于3.7度到3.9度之间时，与由两个自旋相反的陈绝缘体构成的分数量子拓扑绝缘体的理论预测相符。确凿的证据还需要通过输运测量来确定螺旋边缘电流是否确实存在，但米纳里克、朱晓阳及其同事对这些前景充满期待，也希望其他人同样如此。

米纳里克说：“这一发现的意义非常令人振奋，它超越了长期追寻的假想分数量子拓扑绝缘体本身。如果这是真的，那么两个手性相反的分数量子陈绝缘体的结合，就为第一陈能带中分数电荷的配对提供了首个证据。这一观察为通过配对实现更奇异的拓扑态（如非阿贝尔任意子）铺平了道路，这类拓扑态在容错量子计算领域尤其具有应用前景。这仅仅是个开始。”