利用电子Hong-Ou-Mandel干涉揭示2/3分数量子霍尔边缘通道动力学的新途径

为解决分数量子霍尔态（FQH）中空穴共轭相（如ν=2/3）的边缘模式动力学和隧穿电荷测量难题，研究人员开展了基于微波光子辅助散粒噪声（PASN）和电子Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉的实验研究。结果表明隧穿电荷为e/3，并发现中性模式在微米尺度内衰减，电荷模式存在色散效应。该研究为理解复杂FQH态提供了新工具，对拓扑量子计算具有重要意义。

　　

在强磁场下的二维电子气中，电子会形成高度关联的分数量子霍尔态（Fractional Quantum Hall Effect, FQHE），其中准粒子携带分数电荷并表现出任意子统计特性。这些特性使得分数量子霍尔系统成为实现拓扑量子计算的候选平台之一。然而，对于某些填充因子，特别是空穴共轭相（如ν=2/3），边缘通道的结构和动力学十分复杂：通常包含下游的电荷模式和上游的中性模式，且对无序非常敏感。长期以来，如何在实验上准确测量这些边缘模式的电荷、探测其量子相干性以及评估其传播能力，一直是该领域的核心挑战。

传统的直流散粒噪声（DCSN）测量在低温下会因电子加热效应而高估隧穿电荷值，导致实验结果存在争议。此外，由于中性模式极易衰减，其传播长度有限，使得基于干涉的任意子编织实验难以实现。因此，发展一种能够直接在时域和频域上探测边缘模式动力学的方法，对理解分数量子霍尔物理和推动量子信息应用具有重要意义。

针对上述问题，一篇发表于《Nature Communications》的研究通过结合微波光子辅助散粒噪声（PASN）和电子Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉技术，系统地研究了ν=2/3边缘的电荷隧穿行为和模式传播特性。研究不仅明确了分数电荷e/3的隧穿过程，还首次在实验上揭示了中性模式的强衰减特性以及电荷模式在传播过程中的色散和衰减行为，为今后在更复杂的FQH态中进行类似研究提供了方法论基础。

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：

1. 1.
   在20 mK极低温下制备高迁移率GaAs/GaAlAs异质结样品，并在7 T磁场下实现ν=2/3填充；
2. 2.
   利用量子点接触（QPC）实现边缘通道之间的弱背散射，并采用交叉相关散粒噪声（CCSN）测量以抑制电子加热效应；
3. 3.
   通过微波光子辅助散粒噪声（PASN）测量，基于分数约瑟夫森关系确定隧穿电荷；
4. 4.
   生成36 ps宽度洛伦兹脉冲并实施电子HOM干涉实验，研究脉冲在边缘通道传播后的时域形变；
5. 5.
   结合传输线模型和电容耦合理论对边缘动力学进行数值模拟与实验对比。

e/3分数电荷的明确测定

通过PASN测量，研究团队观测到分数约瑟夫森关系所预言的电压台阶，其位置明确对应于隧穿电荷e* = e/3。与直流散粒噪声（DCSN）方法相比，PASN受电子加热效应影响小，结果更加可靠。实验排除了此前一些研究中提出的2e/3电荷隧穿的可能性，解决了低温下e*测量值偏高的长期争议。

2/3边缘通道动力学与衰减行为

基于传输线模型和电容耦合理论，研究发现ν=2/3边缘存在两种本征模式：一种是下游传播的电荷模式，衰减较弱；另一种是上游传播的中性模式，但其衰减长度极短（约1–2 μm）。高频PASN测量显示，电荷模式在传播过程中会发生显著的幅度衰减，该衰减与频率相关，且在交叉频率f_CO附近出现明显色散。

电子HOM干涉揭示脉冲形变

通过注入宽度36 ps的洛伦兹脉冲并实施HOM干涉实验，研究对比了整数填充（ν=2、3）和分数填充（ν=2/3）下的脉冲传播行为。在整数填充下，脉冲形状保持较好，HOM干涉出现多个离散干涉谷，表明存在少数离散隧穿点。而在ν=2/3时，H干涉图样呈现宽而单一的谷，没有出现多个窄谷，说明脉冲在传播中发生了显著的展宽和形变，与理论模型中预测的色散和衰减行为一致。

本研究通过创新性地结合PASN与HOM干涉方法，在ν=2/3分数量子霍尔边缘系统中实现了对分数电荷e/3的高精度测量，并揭示了边缘模式在传播过程中的衰减与色散动力学。最重要的结论是，所谓的中性模式实际上无法在超过电荷平衡长度（l_eq ≈ 1–2 μm）的尺度上传播，这对过去将热输运现象归因于长程中性模式的观点提出了挑战。

该工作不仅解决了长期存在的e*测量争议，还为研究其他具有中性模式或非阿贝尔任意子的分数量子霍尔态提供了一种可靠的实验方法。此外，研究结果暗示，在基于分数量子霍尔边缘的量子干涉实验中，需谨慎考虑模式的衰减和色散效应，这对未来实现拓扑量子计算操作具有重要指导意义。