分數量子霍爾效應是二維強相互作用電子中的一種多體效應。根據體态和邊緣态的對應關系，體系的一維邊緣态也蘊含了相應的拓撲性質。通過分數量子霍爾邊緣态探測和應用非阿貝爾統計一直是一個重要的挑戰，這一目标的實現通常需要在空間上限制邊緣态，例如将它們彼此靠近或分離。由于多體态在特定邊界條件下的複雜性，邊緣态在局域空間中的行為尚未被系統研究，例如邊緣态的結構難以通過實驗方法判定。beat365官方网站量子材料科學中心林熙課題組與謝心澄課題組合作，在局域的單層二維電子氣中發現了一系列未曾預期的電阻平台，并解釋了上述平台産生的原因。相關研究成果以“局域條件下二維電子氣中的異常量子化平台”（Anomalous quantized plateaus in two-dimensional electron gas with gate confinement）為題，于2023年3月30日在線發表于《自然通訊》（Nature Communications）。

量子化的電阻平台通常對應不同填充因子的分數量子霍爾态，但此工作中觀測到的平台出現在預期之外的異常分數處（9/4、17/11、16/13等），并平台具有高達0.05%的量子化特性（圖1）。這類平台最早觀測到的分數為3/2，曾在之前的研究中由該團隊報道（Nature Communications 10, 4351 (2019)）。近日，他們通過系統及準确的電阻測量提出了異常量子化平台的起源：局域空間與開放空間形成了由不同分數量子霍爾态構成的結（junction），而且邊緣态在結處選擇性地穿透。

基于這一理解，實驗中測量得到的全部平台均得到了解釋，可以由圖2a中的公式表示，其基本物理圖像如下。在毫開量級的溫度下，通過改變器件的栅極電壓，圖2a中區域II中的填充因子比區域I更大（即ν_II>ν_I），此時，整數和分數邊緣态在傳輸中表現出了不同的特征。整數邊緣态穿透了局域區域II，不與分數邊緣态發生化學勢的平衡。而分數邊緣态會在區域I和II的邊界處産生反射，由于填充因子的差異，不同化學勢的分數邊緣态重新平衡。完成這一過程的尺度不大于1微米。最終，實驗測量的結果呈現為既不同于區域I也不同于區域II的量子化電阻。這一研究成果有助于理解受限區域中的邊緣态和在幹涉儀中驗證非阿貝爾統計的存在，同時，也提供了一種通過電阻測量分辨分數霍爾效應邊緣态結構的方法。

圖1：實驗中觀測到的部分異常量子化平台

圖2：邊緣态在局域區域處的傳輸示意圖和根據表達式預測的平台位置。其中紅色字體為實驗中觀測到的平台

beat365官方网站量子材料科學中心已畢業博士生闫姣婕（現于德國馬普所從事博士後研究工作）為本文的第一作者，林熙為通訊作者。樣品來自普林斯頓大學的L. N. Pfeiffer，合作者包括beat365官方网站量子材料科學中心的謝心澄、劉陽、吳宜家（現工作于複旦大學物理系）和浙江大學物理系付海龍。

論文鍊接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37495-9