准一维分数量子反常霍尔—超导异质结构的相

超薄量子线中的奇异粒子

物理学家正在寻找能够以特别稳健方式存储信息的新型量子粒子。该研究关注从奇异二维材料中“刻”出的超薄“线”，在这些材料中电荷以电子电荷的分数形式存在，并且超导性可以开关。工作提出了一个看似简单但影响深远的问题：当这两种不寻常的物态相遇并且超导序变得非常波动时，会出现哪类相和相变？这些被寻求的奇异粒子能否幸存？

当分数量流遇上脆弱的超导体

起点是一类能够承载分数量子反常霍尔效应的新材料。在这些材料中，电流沿边缘单向流动并携带分数电荷，例如三分之二个电子。实验证明，这些材料附近也能出现超导，而且进入超导态的跃迁异常宽，这表明超导序存在强烈涨落。作者设想在这类材料中刻出一条狭长的门控区域，形成交替的超导条带与由分数量边缘通道穿过的普通区域。在配对占优与普通隧穿占优的区域边界处，理论预测会局域化出现“复费米子”模式，它们是更为人所知的马约拉纳准粒子的近亲。

从复杂量子条带到更简单的链模型

由于完整体系非常复杂，研究组将其映射为仍能捕捉核心物理的一维简化模型。在此图景中，每个浮动的超导岛可以以三分之二电子电荷为步长驻留分数电荷，相邻岛之间由两类基本过程耦合：整体库珀对可以在岛间跃迁，而分数量子激发可以沿边缘隧穿。这些过程被编码在所谓的拓扑约瑟夫森结链中，每个链连接处包含复费米子算符。研究者随后将该链转换为转子模型，将每个岛上的电荷与超导相位视为一对共轭变量，并使用强大的密度矩阵重整化群数值方法对其进行研究。

三种量子流体及其相互转变

数值分析展示了具有三个主要区的丰富相图。在一种情形下，体系表现为莫特绝缘体，电荷被固定在每个岛上且电荷运动有能隙。在第二种情形下，电荷以2e（库珀对的电荷）为单位流动，形成一种一维类超导态，称为2e 拉丁格尔液。在第三种情形下，低能激发携带2e/3 电荷，反映出底层的分数量子霍尔物理，形成2e/3 拉丁格尔液。通过调节库珀对跃迁、分数隧穿与库仑能的相对强度，体系可以在这些态之间平滑或突变地转换。作者识别出绝缘与导电区间之间熟悉的 Berezinskii–Kosterlitz–Thouless 相变，以及一种更不寻常的连续相变，在该相变中内部的三重结构与流体样模式同时临界。

外端奇异行为的微妙迹象

为了探查是否出现真正奇异的边缘态，团队研究了链上相关函数与纠缠熵的衰减情况。在2e/3 液体中，某些非局域相关函数仅随幂律衰减，表明存在延展的类复费米子行为，而在绝缘区它们呈指数衰减。在2e 与 2e/3 液体之间的特殊相变处，纠缠的标度指向一个组合临界理论，其中心荷为9/5，这与一个松散耦合到常规模子流体的三重内部扇区相一致。分析还发现纠缠常数出现了以3为底的对数位移，这暗示了可能与链边界处的复费米子模式相关的三重基态结构。

对未来量子器件的意义

对非专业读者来说，关键信息是：一条承载分数量边缘电流且超导强烈波动的极细材料通道可以实现几种不同的量子相，其中包括一种分数电荷自由流动并携带微妙复费米子特征的相。该工作表明，即使超导不是刚性的而是强烈波动的，复费米子物理与明确的相变仍能存在。这为解释未来在扭曲过渡金属二硫化物和基于石墨烯的莫尔系统中的实验提供了路线图——在这些系统中，图案化的栅极可以创建并调谐这些一维结构，并通过简单的输运测量区分普通的库珀对流、分数电荷流与绝缘行为。

引用: Bollmann, S., Haller, A., Väyrynen, J.I. et al. Phases of quasi-one-dimensional fractional quantum anomalous Hall -- superconductor heterostructures. npj Quantum Mater. 11, 43 (2026). https://doi.org/10.1038/s41535-026-00897-1

关键词: 分数量子反常霍尔, 超导异质结构, 复费米子, 拉丁格尔液, 约瑟夫森结链