研究人员观察到复合费米子的气泡相

物理系统中粒子之间的强相互作用会导致各种高度相关的基态。近年来，人们广泛探讨了这些状态及其背后的强相关性。

普渡大学，蒙茅斯学院和普林斯顿大学的研究人员最近观察到复合费米子的高度相关状态，即从电子和涡旋结合中出现的粒子。他们在《自然物理学》中观察到的状态被称为“气泡相”，因为它的标志是复合费米子聚集成气泡。

“实验学家很高兴在他们的数据中发现异常，”进行这项研究的研究人员之一Gábor A. Csáthy告诉 Phys.org。“几年前，与我的前博士后Ashwani Kumar，现在是伊利诺伊州蒙茅斯学院的副教授，我们在普林斯顿大学Loren Pfeiffer博士实验室中生长的一种非常特殊的高迁移率二维电子气体的数据中发现了一些无法解释的特征。我记得我们很兴奋，但我们把解释当作一个微不足道但众所周知的效果而不予理睬。

研究人员最初观察到的异常情况与研究人员最初观察到的异常情况相似，后来在Csáthy的监督下由研究生Vidhi Shingla和Hayun Huang进行的一项研究中观察到。最初，研究小组认为这种异常可能反映了一个微不足道的自旋跃迁，但这一假设被后来的研究排除了。最终，他们发现异常可能与新的拓扑基态有关。

“拓扑物理学渗透到当代凝聚态物质，原子和分子光学以及物理学的其他子领域，”Csáthy解释说。“电子相关性通常被认为是导致新的拓扑状态，但这些拓扑相的性质并不总是很好理解。宾夕法尼亚州立大学的Jainendra Jain小组以及弗里堡和乌得勒支大学的Cristiane Morais Smith小组对某些称为复合费米子气泡相的某些高阶拓扑相进行了一些非常有趣的预测，但尚未观察到这些阶段的特征。

利用输运测量，Csáthy和他的同事检测到复合费米子气泡相的定位特征。复合费米子由电子捕获两个磁通量量子并携带一小部分基本电荷形成，以前在分数量子霍尔体系中得到了很好的记录。通常，由于实验样品中普遍存在的无序，这些复合费米子是随机定位的。

“这些复合费米子通常密度低，不利于它们的相互作用，”Csáthy说。“然而，当复合费米子之间的相互作用克服了无序效应时，复合费米子被预测聚集成复合费米子的气泡。然后，这些气泡在三角形晶格上排序。人们可能会想到一个不切实际的鸡蛋盒，每个杯子里装着几个鸡蛋。该小组使用的高迁移率样品和实验的低温环境为这些气泡的形成提供了有利的条件。

在此阶段聚集成气泡的复合费米子产生与其定位相关的特征传输特征，可以使用传输测量工具进行检测。更具体地说，研究人员发现样品中的纵向磁阻消失了，而霍尔电阻被量化为所谓的Klitzing常数的分数值。

“我们在复合费米子的大密度下观察到这些特征，复合费米子的气泡相可能形成，”Csáthy说。“我们发现了一类高度相关的拓扑相的第一个成员。从某种意义上说，我们扩展到拓扑相的元素周期表，这些拓扑相不仅可以通过新成员稳定在二维电子气体中，还可以通过新周期稳定。

这个研究小组最近的工作揭示了一个新的相关拓扑相的存在，可以在未来的工作中进一步研究。此外，他们的发现可能会影响拓扑相的新实验应用，这些拓扑相涉及复合费米子激发或其他样品激发的操作。

“在我们的下一个研究中，我们可能会探索这些气泡相的基本特性，”Csáthy补充道。“有许多悬而未决的问题：这些气泡相在什么实验条件下形成，如何检测不同类型的气泡相，为什么气泡相不会在我们目前的直觉预测它们稳定的任何地方形成。我们还将尝试操纵导致这些气泡相形成的电子相互作用。

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