《Nature Physics》重磅：捕获隐藏的分数化“部分子”

在20世纪物理学的黄金时代，高能物理学家发现质子、中子等强子并非基本粒子，而是由更深层次的“夸克”通过强相互作用束缚而成。这种将已知粒子“拆解”为更基本构元的思想，在凝聚态物理的低能世界中同样找到了最激进的共鸣——这便是分数化与部分子理论。

2026年6月，发表在国际顶级物理学期刊 《Nature Physics》 上的里程碑式论文 《Emergent partons in fractional quantum Hall systems》，由南京大学物理学院杜灵杰教授团队及其国际合作者共同完成。该研究巧妙地利用了分数量子霍尔体系中的“手性引力子模”作为微观指纹，首次在实验上证实了高能部分子的内部多体结构与几何动力学行为。这不仅是继该团队2024年发现“手性引力子”后的又一现象级突破，也为强关联量子流体的拓扑序理论画上了至关重要的一块拼图。

一、 科学背景：从复合费米子到部分子拓扑序

要理解这篇论文的惊艳之处，必须回溯分数量子霍尔效应流体理论的发展脉络。

在强磁场和极低温度下，二维电子气中的电子库仑相互作用占据主导，导致系统表现出量子化的霍尔电阻平台，且伴随着分数电荷准粒子的涌现。为了定量解释这一现象，物理学家先后发展出了两种核心微观图像：

1. 复合费米子理论：由Jain提出，将一个电子与偶数个磁通量子绑定，形成一个复合费米子。该理论非常直观且极其成功，完美解释了诸如ν= 1/3, 2/5等经典的“主序列”分数态，并在凝聚态领域统治多年。
2. 部分子理论：由文小刚（Xiao-Gang Wen）等人在10世纪90年代初提出。该理论走得更远，它认为强关联作用将一个物理电子物理性地“拆解”成了数个带有分数规范电荷的虚拟粒子——部分子。这些部分子分别凝聚在不同的朗道能级上，通过内部规范场相互耦合。

虽然在低能渐近极限下，部分子流体的物理效应可以完美退化并等价于复合费米子，但部分子理论蕴含着更丰富的微观结构：它预测在更高的能量尺度上，多体流体中存在着由高能部分子运动引起的独特集体激发。

然而，在过去三十多年中，这些高能部分子犹如空中楼阁。由于它们处于较高的能量尺度，且缺乏直接的实验探测手段，国际学术界一直无法确证其真实存在。

二、 实验突破：引力子流体作为部分子的“微观指纹”

杜灵杰教授团队的突破性思路在于：既然无法直接“看到”高能部分子，那就去测量它们凝聚时产生的空间几何波动。

近年来理论研究表明，分数量子霍尔流体不仅仅具有拓扑序，还具有微观的量子度规自由度。部分子的集体几何激发，会在流体中产生类似于广义相对论中引力波的量子波动，这在凝聚态中被称为手性引力子模。不同的部分子构造，会对应具有特定能量、自旋（Spin-2）和手性的引力子模。

为了捕获这些微弱的“量子引力波”，实验团队利用了极端苛刻的实验条件与先进的探测技术：

• 极端环境：实验在极低温度（约20mK）和强磁场下进行，以最大程度抑制热噪声，暴露出纯净的量子多体基态。
• 圆偏振共振非弹性光散射（PRILS）：这是团队的“核心武器”。通过控制入射与散射光的圆偏振方向（左旋或右旋），实验可以精准地锁定量子激发的角度动量改变（手性），从而分辨出这些几何激发的微观特性。

通过对由普林斯顿大学制备的高质量 GaAs（砷化镓）量子阱二维电子气进行测量，团队在不同的填充因子（ν）下取得了决定性的发现。

三、 论文核心发现深度解析

本篇论文的核心成果主要体现在三个代表性填充因子（ν=2/7, 2/9, 1/4）处的独特光谱观测：

1. ν= 2/7态：高、低能引力子的“手性双重奏”

在ν=2/7填充因子下，PRILS 光谱首次清晰地展现出了两个截然不同的尖锐中性激发峰。令人惊叹的是，这两个激发模不仅能量尺度不同，而且具有相反的手性：

• 低能模表现为传统复合费米子物理驱动的流体行为。
• 显着高能模则是首次被捕获。

在部分子理论框架下，ν=2/7状态被描述为两个部分子层（分别具有填充数ν₁= 1/2, ν₂= 1/2，整体通过规范场耦合）。这种相反手性的双引力子共存，完美对应了理论上低能部分子与高能部分子内部结构的拓扑自旋与几何动力学耦合。这是高能部分子存在的直接微观证据。

2.ν=2/9态：同手性多引力子模的凝聚

相比之下，当系统被稀释到ν= 2/9态时，实验同样观测到了多个引力子激发模。然而，与ν= 2/7不同的是，这几个模展现出了相同的手性。

这一结果反映了当电子密度和磁场比例改变时，内部部分子波函数的凝聚方式和规范场耦合发生了质的改变。这种手性选择定则的转变，为区分不同的部分子拓扑序提供了无可辩驳的判据。

3. ν= 1/4复合费米海：无能隙宏观态中的短程几何结构

最出乎意料的发现来自ν= 1/4态。理论上，这是一个无能隙的复合费米液体状态，没有整体的拓扑能隙。

然而实验表明，在这种“量子金属”基态中，高能引力子模依然作为一个有能隙的手性激发清晰地存在着。这强有力地证明了，即使在宏观上缺乏拓扑能隙的长程无序状态下，由高能部分子所蕴含的短程关联几何结构与量子度规涨落依然稳定存在。这一发现极大地拓宽了物理学界对非能隙强关联系统的传统认知。

四、 科学意义与未来展望

《Emergent partons in fractional quantum Hall systems》这篇论文的发表，不仅是一项具体的实验进展，更是对强关联凝聚态理论一次深刻的推进。

1. 证实了部分子的物理实在性

长期以来，许多人倾向于将文小刚教授的部分子理论视为一种精妙的、用于构造波函数的“数学技巧”。而该工作通过严格的实验测量表明，部分子不仅仅是数学代号，它们在高能尺度上具有真实的微观动力学实体。这极大地增强了物理学家利用规范场和部分子方法去构筑未知量子物态的信心。

2. 开创了量子几何探测的新范式

这项工作完美展示了如何将“广义相对论的几何思想”（度规、引力子）与“量子流体”（部分子、拓扑序）交织在一起。通过测量手性引力子光谱去“逆向解析”强关联电子系统的微观内部结构，已经成为凝聚态物理的一种全新范式。

3. 助力下一代拓扑量子计算

对部分子流体更深层次的理解，直接关系到非阿贝尔任何子的寻找与调控。非阿贝尔任意子由于其非局域的拓扑保护特性，是构建容错拓扑量子计算机的终极基石。杜灵杰团队对部分子高能结构的揭示，为未来在二维及新型分数量子反常霍尔体系中操控这种极端物态提供了全新的实验维度和理论边界。

结语

在南京大学杜灵杰教授团队的引领下，凝聚态物理学家正在这场“桌面上”的高能物理试验中取得节节胜利。解开分数量子霍尔流体中部分子的面纱，不仅是对微观电子相互作用艺术的极致赞美，更为人类探索量子世界的几何深渊打开了一扇全新的大门。