新しい研究で、米国のブラウン大学の物理学者は、ボソンでもフェルミ粒子でもなく、その中間の粒子タイプである「フラクショナル励起子」と呼ばれる新しいタイプの量子粒子を観察した。この発見は、量子分野に対する科学者の理解を大幅に拡大する可能性があります。関連論文はNature誌の最新号に掲載されました。


研究者らは、この新しい粒子は整数の電荷を帯びていないが、独自の量子統計法則に従っていると述べている。それについて最もエキサイティングなことは、物質の一連の新しい量子相を解き明かし、科学研究の新たな境地を切り開き、基礎物理学の理解を深め、量子コンピューティングに新たな可能性をもたらすことです。

この研究では、古典的なホール効果に基づく分数量子ホール効果に焦点を当てました。この効果では、電流が流れる材料に磁場を印加して横電圧を生成します。量子ホール効果は、極度の低温と極度に高い磁場で発生し、この横方向電圧が明確で独立したジャンプで増加します。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、電子の電荷のごく一部にすぎません。

実験では、研究者らは六方晶系窒化ホウ素絶縁結晶によって分離された二次元ナノ材料グラフェンの二層で構成される構造を構築した。この設定により、電荷の動きを正確に制御し、電子と正孔が結合して構成される励起子と呼ばれる粒子を生成することも可能になりました。次に、地球の数百万倍も強い非常に強い磁場の中で、研究者らは異常な挙動を示す新しいタイプの分数励起子を観察した。

一般に、素粒子はボ粒子とフェルミ粒子の 2 つのカテゴリに分類されます。ボソンは同じ量子状態を共有できますが、フェルミ粒子はパウリの排他原理に従います。これは、2 つのフェルミ粒子が同じ量子状態を占有することができないことを意味します。ただし、実験で観察された分数励起子は、これら 2 つのカテゴリのどちらにもきちんと当てはまりません。それらは予期された分数電荷を持っていますが、その動作はボソンとフェルミオンの両方の特性を示し、その 2 つのハイブリッド、つまり中間の粒子タイプであるエニオンに似ていますが、独特の特性を持っています。

この予期せぬ挙動は、分数励起子が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す可能性があることを示唆しています。研究により、励起子は分数量子ホール系に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が対になって生成され、ボソンのように振る舞わない分数励起子を形成することが示されています。

研究者らは、この新しいタイプの粒子は将来、量子レベルでの情報の保存と処理を改善し、より高速で信頼性の高い量子コンピューターにつながる可能性があると指摘しています。