南京大学团队《自然·物理》：首次观测到半导体电子的碎裂行为！

近日，南京大学物理学院杜灵杰教授带领的国际团队基于砷化镓量子阱，首次在分数量子霍尔效应中观察到涌现的部分子并揭示了其真实的几何动力学，验证了电子在特定条件下可以表现为多个部分子。这一发现不仅拓展了人类对量子物质的认知边界，也意味着在半导体系统中对电子的利用有望从控制电荷、利用自旋，迈入驾驭其内部“分身”结构的阶段，为拓扑量子计算带来新的可能。

电子是否“可分”？单个电子在粒子物理实验中从未被发现具有内部结构，一直被视为基本粒子。在极端量子条件下，这一常识正在被赋予新的内涵。杜灵杰教授团队与合作者首次在实验中证实，当大量电子在半导体中处于极低温、强磁场下，形成强关联的量子集体时，电子可以表现为多个部分子。好比一个人融入交响乐团，我们听到的不再是他本人的独奏，而是他同时奏出的几个声部——电子并没有被物理“切碎”，但在量子集体中，它表现为几个独立行动的“分身”。

“部分子”概念最早由诺贝尔奖得主费曼在20世纪60年代提出，用于解释质子内部结构，而夸克就是一种携带分数电荷的部分子。后来，理论物理学家将其引入凝聚态物理以描述分数量子霍尔效应，提出在这种强关联电子系统中，电子也可以涌现式地“碎裂”为若干携带分数电荷的部分子（注：这里的部分子是准粒子）。正如诺贝尔奖得主安德森所指出：在科学的层级结构中，每个层级都可能产生全新的规律和概念；而一群电子作为集体存在的时候可以出现原本单个电子不具备的性质，这一现象即为“涌现”。但在此后几十年里，部分子在分数量子霍尔效应中主要作为数学工具存在，一直缺乏直接的实验观测证据。

2024年，南京大学杜灵杰团队通过共振非弹性偏振光散射实验，在分数量子霍尔效应中成功观察到了手性引力子模（Nature628, 78 (2024)）（图1）。在实验中，光子进入砷化镓量子阱，与其中的二维强关联电子系统相互作用，并激发出电子液体内部的几何振荡。由于当时研究的分数态中只有一种活跃的部分子，实验上也主要看到一种引力子模，因此很难进一步判断区分引力子模是来自电子还是部分子的几何振荡。换言之，虽然手性引力子模已经被观测到，但部分子是否能留下可单独识别的实验信号，仍然是一个尚未解决的问题。

图1 分数态的部分子构成和对应的引力子模

为了捕捉部分子的踪迹，团队在砷化镓半导体量子阱中利用共振非弹性偏振光散射技术，用光子轰击处于分数量子霍尔态的电子系统，测量散射光子的信号。在同一个分数量子霍尔态中，团队观测到两种不同的引力子模信号（图2），一种低能，一种高能，能量相差高达三倍，且具有相反的自旋。杜灵杰解释，只是电子的几何振荡无法产生两种不同的引力子模，就如一个铃铛摇不出高低两个音，这意味着存在两种不同的部分子。

图2 2/7分数态的多重引力子模测量

为了锁定证据，团队进一步调控外部条件。当两种部分子感受到的有效磁场相反时，观测到的两种引力子模自旋也相反；当磁场调整为相同时，自旋也变为相同（图3）。研究结果进一步支持了部分子图像：当不同部分子感受到相同方向的有效磁场时，它们的几何振荡也应携带相同的引力子自旋。

图3 2/9分数态的多重引力子模测量

团队还通过调控使其中一种部分子变为电中性，实验观测到对应的引力子模信号消失，而另一种信号依然存在——就像让交响乐团中的一个声部安静下来，对应的声音就消失了。这些证据表明，两种引力子模信号来自不同的部分子，从而证实了部分子是涌现的准粒子，即关联电子“可分”为若干带分数电荷的部分子。

更出人意料的是，在部分子图像的极限情形中，低能部分子的电荷为零，不再产生任何引力子；而剩余的高能部分子仍然携带分数电荷，因此仍可能支持几何振荡，即高能引力子模。这一发现进一步表明，即使在无能隙量子液体中，高能部分子仍能形成隐藏的玻色分数量子霍尔态，并通过手性引力子模留下清晰的谱学信号。这一观测不仅为部分子图像提供了重要实验证据，也为通过谱学手段识别隐藏的分数量子霍尔效应开辟了新的路径。

图4 1/4无能隙态的高能引力子模测量

回顾人类信息技术的发展史，每一次飞跃都源于对电子更深层的认识。“信息1.0时代”，人们控制电荷，催生了集成电路和计算机；“信息2.0时代”，人们利用自旋，量子计算由此开启。如今，这项实验首次在半导体中打开了关联电子内部“分身”结构的大门——从控制电荷到利用自旋，再到操控部分子，物理学基础研究每一次突破，都在拓宽我们对世界的认知，也为下一次科技革命积蓄力量。

该成果以“Emergent partons in fractional quantum Hall systems”为题发表至国际顶级学术期刊《自然•物理》。南京大学物理学院博士生杨子灏、王一帆为论文共同第一作者；南京大学物理学院杜灵杰教授为通讯作者。实验部分由南京大学杜灵杰课题组完成，美国普林斯顿大学L. N. Pfeiffer教授等提供样品，新加坡南洋理工大学杨波教授和印度数学科学研究所A. C. Balram提供理论计算。这项工作得到了国家长周期支持项目，江苏省自然科学基金攀登项目和重点项目，江苏省双创团队，南京大学789科技攻关计划等支持，以及江苏省物理科学研究中心的大力支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41567-026-03338-9

本文来自：南京大学

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