新しいタイプの量子粒子が出現し、関連論文が「ネイチャー」誌に掲載されました。

アメリカのブラウン大学の物理学者たちが、ボソンでもフェルミオンでもない新しいタイプの粒子を発見しました。この粒子は、2つの基本粒子の中間の振る舞いをするため、 「分数励起子」と呼ばれます。

研究者らは、この新しい粒子は整数電荷を帯びていないが、独特の量子統計法則に従っていると述べている。

言い換えれば、この新しい粒子の電荷は一般的な整数形式（負電荷の単位を運ぶ電子など）ではなく、その量子挙動はボソンやフェルミオンの従来の統計法則に従いません。

ブラウン大学の物理学准教授、ジア・リー氏によると、これは量子力学の伝統的な分類に挑戦するものであり、量子コンピューティングに革命をもたらす可能性があるという。

この画期的な発見は、さまざまな物質の新たな量子相を解き放つ道を開き、量子状態を操作する独自の方法を提供することで量子コンピューティングを強化する可能性があります。

ネットユーザーらはまた、量子レベルの情報保存と処理で画期的な進歩が遂げられれば、それは未来の技術への普遍的な鍵を手に入れるようなものだと述べている。

新たな量子粒子の発見

一般的に、量子の世界では、原子よりも小さな素粒子（電子、中性子、クォークなど）は、古典物理学の世界でよく知られている法則に反することがよくあります。例えば、同時に2つの場所に存在したり、固体の障壁を通過したり、遠隔地とリアルタイムで通信したりすることさえ可能です。

こうした一見不可能な動作は常に量子物理学の中心でした。

科学者たちは、自然界のすべての基本粒子は、その「回転」（地球の自転に類似）の仕方によって、ボソンとフェルミオンの2 つのカテゴリに分類できることを発見しました。

簡単に言うと、整数スピン（0、1、2など）を持つ粒子は「ボソン」と呼ばれ、その中で最も有名なのはヒッグス粒子（スピン0、2013年のノーベル物理学賞の対象となった）です。一方、半整数スピン（（1/2、1の1/2、2の1/2））を持つ粒子は「フェルミオン」と呼ばれ、陽子、中性子、電子、ニュートリノ、クォークなどが含まれます。

この区別の理由は、ボソンとフェルミオンが量子統計法則、物質の性質や相互作用への影響、そして理論研究やモデル構築における役割において根本的に異なるためです。このアプローチは、微視的な物理世界への理解を深めるのに役立ちます。

その中でも最も重要な特徴は次のとおりです。

ボソンは同じ量子状態を共有できますが、フェルミオンはパウリの排他原理に従うため、2 つのフェルミオンは同じ量子状態を占めることはできません。

しかし、今回ブラウン大学の物理学者らが発見した分数励起子は、上記の2つのカテゴリーのどちらにも分類できない。

具体的には、予想どおり分数電荷を持ちますが、その動作はボソンとフェルミオンの両方の特性を示し、両者のハイブリッドに似ています。

言い換えれば、エニオンとエニオンの中間に位置する粒子タイプのようなものですが (エニオンは完全にお互いを避けることも、完全に密集することもありません)、独自の特性も持っています。

簡単に言えば、「分数励起子」は、独特の量子特性を持つまったく新しいクラスの粒子を表している可能性があります。

分数量子ホール系に存在する可能性がある

研究者によると、実験により、分数量子ホール（FQHE）システムでは励起子が存在できることが示されており、これらの励起子の一部は分数電荷を持つ粒子のペアリングによって生成され、ボソンのように動作しない分数励起子を形成します。

順を追って説明していきましょう。

まず、分数量子ホール効果は、電流が流れる物質に磁場を加えると横方向の電圧が発生するという古典的なホール効果に基づく現象です。

量子ホール効果は、ホール効果の量子力学的バージョンであり、低温と強磁場という極限条件下でのみ観測されます。これらの条件下では、ホール抵抗はもはや磁場と線形関係を示さず、量子化されたプラトーが現れます。

つまり、前述の横方向電圧は階段状の変化を示した。

たとえば、磁場の強度が徐々に増加すると、ある磁場値で横方向電圧が突然 1 つの特定の値から別の特定の値にジャンプし、その後磁場の強度が次の特定の値に達するまで変化せず、その時点で次のジャンプが発生することがあります。

この急激な変化は量子ホール効果の重要な特徴です。これは系の量子化された性質を反映しており、エネルギーや電荷といった物理量は量子化され、連続的な値ではなく離散的な値しか取れないことを意味します。

△画像出典：Zhihu @andrew shen

分数量子ホール効果では、この増加はさらに特異なものとなり、電子電荷のほんの一部にしかなりません（分数電荷の励起状態になります）。

実験では、研究者らは六方晶窒化ホウ素絶縁結晶で分離された2次元ナノ材料グラフェンの2層からなる構造を構築した。

この設定により、電荷の動きを正確に制御し、電子と正孔の結合によって形成される励起子と呼ばれる粒子を生成することができます。

その後、地球の磁場より何百万倍も強い極めて強い磁場の中で、研究者たちは異常な挙動を示す新しいタイプの分数励起子を観測した。

具体的には、研究者らは2 つの新しい分数量子ホール効果状態を発見しました。どちらも完全なドラッグ応答を示しており、これは間違いなく励起子ペアリングの存在を示す強力な証拠であると研究者らは述べています。

最初のタイプは特定の構造に関連付けられています。

研究者らは、第 2 層にのみ電荷キャリアを持つ Jain シーケンスの分数量子ホール状態 (層間相関なし、ゼロ抗力応答、ゼロ逆コンダクタンス) から始めて、重要なパラメータをゼロ以外の値に調整することで、予想外に励起子ペアリングを誘発しました。

つまり、特定の線に沿って、一連の分数量子ホール状態が出現します。

平行流ジオメトリでは、これらの状態の動作は大きく異なり、体積伝導率は消えます。一方、抗力ジオメトリでは抗力比は完全に 1 に達し、向流ジオメトリでも高い伝導率を持ちます。

上記は、分数量子ホールギャップと層間励起子電荷中性モードが同じシステム内で両立できることを示しています。

さらなる研究により、この特定の構造の有効充填量の合計が整数値に達すると、このタイプの分数量子ホール効果状態が生成されることが明らかになりました。

これは、この領域における分数量子ホール効果も同様の層間相関を示すことを意味します。

研究者たちは、形成された励起子はボーズ統計に従い、その低温基底状態はボーズ・アインシュタイン凝縮によって記述される可能性があると推測しています。

2 番目のタイプは、励起子が非ボソン特性を持つ別の特定のシーケンスに関連付けられています。

関連する理論的研究によれば、特定の特定の時点で、このシーケンスは非圧縮状態に達します。

研究者たちは、透過測定によって、これらの予想された分数量子ホール状態を観測することに成功しました。さらに、ある重要なパラメータが特定の値をとると、平行電流コンダクタンスが消失する一連の分数量子ホール状態が出現することを発見しました。

一方、研究者らは、電荷ギャップの熱活性化挙動の詳細な分析を通じて、その特徴的な階層的挙動を発見しました。これは、電荷ギャップの形成におけるこの特定の構造の重要な役割の強力な証拠となります。

これらすべての状態において、ドラッグ レスポンスが完璧であることは特筆に値します。

特定の状態を例に挙げると、この状態では特殊な励起子が形成されます。この励起子の粒子電荷と正孔電荷は特殊な性質を持ち、フェルミ統計に従います。これは一般的なボソンとは全く異なります。

いくつかの重要な条件が変化すると、励起子の構成と特性も変化します。励起子の中にはボーズ統計に従うものもあれば、エニトン挙動を示すものもあります。

要約すると、この研究は、分数量子ホール系に励起子が存在する可能性があり、これらの励起子の一部は分数電荷を持つ粒子の対形成によって生成されることを示しています。

最後に、この研究では、これらの新しい粒子が将来、量子レベルでの情報の保存および処理方法の改善に役立ち、より高速で信頼性の高い量子コンピューターの実現につながる可能性があると指摘しています。

詳細は原論文をご参照ください。