电子分裂的惊人发现 - 《华尔街日报》

插图：托马斯·瓦伦塔诺贝尔奖与邓普顿奖得主、物理学家弗兰克·维尔切克为您揭示宇宙奥秘。阅读往期专栏请点击此处。

电子是最基础的基本粒子。在基础物理学中，它们表现为无结构的点，承载着确定的质量、电荷和角动量（或称“自旋”）。基于这一简洁描述，量子力学与相对论的严格法则造就了这个主宰化学领域——当然还有电子学——的卓越基本单元。

不久前，对于大多数严谨的物理学家而言，“电子在注入特定材料时会分裂成其他物体”这一激进观点，就如同哥白尼时代“地球会运动”之说对清醒的自然哲学家们一样荒谬。

然而地球确实在运动——电子也确实会分裂。这一惊人可能性在20世纪80年代研究一种名为分数量子霍尔效应的奇异物质状态时浮出水面。当极度纯净的特定半导体薄层被嵌入特定绝缘体，并在极低温度下承受极强磁场时，就会产生这种效应。

以19世纪物理学家埃德温·霍尔命名的原始霍尔效应，描述的是在此类装置中施加电压时产生的横向电流现象。它为电效应与磁效应之间的转换提供了便捷途径，是车速表、防抱死制动系统等诸多实用设备运作的核心原理。

在分数量子霍尔效应中，电流既异常微弱又异常稳定。这些特征表明形成电流的粒子具有奇特性质：它们的流动异常有序，但每个粒子携带的电荷量却极小。在最简单的情况下，表观电荷仅为电子电荷的三分之一，这意味着注入材料层的电子已分裂成三个相等的部分。

直到最近，电子分馏还带着科学奇观的色彩。由于它成功挑战了传统认知，专业物理学家给予了密切关注。但实际应用似乎遥不可及，因为该效应仅在复杂实验中才能观测到。

然而近年来，对分馏电子的研究兴趣呈爆发式增长，因为人们发现它们具有某种集体记忆。具体来说：当这些粒子相互绕行后，它们后续行为会可靠地反映出先前的运动轨迹。正是这种"记忆"特性，使得被称为任意子的分馏电子成为构建和存储量子信息、最终实现量子计算机的理想载体。

量子信息虽然可能非常丰富，但也极其脆弱。要将其应用于实际，我们需要兼具复杂性和物理鲁棒性的载体。任意子恰好符合要求。研究人员正以更易操作的形式制备任意子，学习如何高效操控它们，并探测其行为——本质上就是赋予它们记忆内容并读取记忆结果。这项工作已突破学术界边界；微软和谷歌都深度参与其中。

任意子的故事是好奇心驱动研究价值的一个绝佳例证。纯粹为了探索令人惊奇的现象本身，就能给研究者带来深刻的快乐。这本身就很有价值。但有时（甚至常常）还有更多收获。就像只有一小部分冒险的初创企业能大获成功一样，少数大胆的智力冒险会催生突破性技术。无论哪种情况，很多尝试都可能失败或半途而废。但纯科学研究带来的巨大回报——尽管罕见——使得对其大规模投资总体上仍是有利可图的。

刊登于2023年6月24日印刷版，标题为《分裂电子的惊喜》