2026年8月17日——电子本应是不可分割的。它携带一个基本单位的电荷，每个电子都完全相同。

但在极端条件下，大量电子会协同行动，产生被称为准粒子的新型量子对象。这些准粒子表现得仿佛只携带电子电荷的一部分，也因此成为现代物理学中最奇特的现象之一。

这种极端条件出现在所谓的“量子霍尔效应”中：当电子被限制在二维空间，并在极低温度下暴露于强磁场时，它们不再像单个粒子那样行动，而是组织成高度有序的量子态。在其中一些量子态中，众多电子的集体运动产生了携带分数电荷的准粒子。

多年来，研究人员一直依赖复杂的实验来探测这些分数电荷。如今，由洛桑联邦理工学院（EPFL）量子物理、拓扑与关联实验室教授Mitali Banerjee领导的团队证明，一种简单得多的石墨烯器件能让科学家研究更多的电子态。

量子粒子的微小山丘

该器件由双层石墨烯制成，这是一种由两片碳原子层组成的材料。研究人员利用电栅极构建了一个微小的能量山丘，称为反量子点（antidot）。

准粒子沿着明确的路径围绕这个能量山丘运动。改变磁场或栅极电压会使它们以规则的间隔隧穿通过器件。每次隧穿事件都会在电信号中产生一次微小的振荡。

通过测量这些振荡之间的间距，研究人员可以计算出准粒子的电荷。换言之，这个反量子点就像一个极其灵敏的电荷计。

测量不可能的电荷

测量结果揭示出在多个量子霍尔态中存在携带电子电荷三分之一的准粒子，包括4/3、5/3和7/3态。研究人员还在2/3态测量到三分之二电子电荷，在3/5态测量到五分之三电子电荷。

4/3、5/3或7/3这些数字描述不同的量子霍尔态，每个态对应电子在磁场中集体填充可用能级的不同方式。其中一些态被预测承载具有不同分数电荷的准粒子，这正是新器件所测量的内容。

有一个被称为8/3的态表现不同。在该态中，器件同时显示出三分之一和三分之二电子电荷的特征。研究人员讨论了几种可能的解释，包括不同的边缘结构和隧穿机制。

量子技术意义

这种分数电荷准粒子是拓扑量子物质的标志性特征。拓扑量子物质是一类不寻常的材料，其性质源于众多粒子的集体行为，而非单个原子。研究它们有助于物理学家检验量子力学的基本概念，并理解奇异的物质状态。

其中一些态也在被探索，作为未来量子技术的潜在构建模块。新的反量子点设计为研究它们提供了一种实用的途径。它结构紧凑、可电调谐，并且依赖于简单的电导测量，而非许多先前实验中使用的更复杂的技术。

研究人员表示，同样的方法可以推广到其他二维材料，为研究更广泛的奇异量子态提供一种简单途径。“相同的几何结构还可以作为构建模块，用来制造拓扑量子计算机，”论文第一作者Mario Di Luca表示。该论文发表在《自然·物理学》（Nature Physics）上。