電子の3分の1の電荷を測定するグラフェン量子デバイスを開発(How do you measure one third of an electron?)

2026-08-17 スイス連邦工科大学ローザンヌ校(EPFL)

スイス連邦工科大学ローザンヌ校(EPFL)の研究者らは、「電子の3分の1の電荷」をどのように測定できるのかを解説した。通常、電子の電荷は最小単位と考えられるが、強磁場下の二次元電子系で発生する分数量子ホール効果では、電子集団の相互作用により、電子そのものではなく「準粒子」と呼ばれる励起状態が生じる。この準粒子は電子電荷の3分の1(e/3)という分数電荷を持つように振る舞う。研究者らは、量子ポイントコンタクトを通過する粒子の電流ゆらぎ(ショットノイズ)を測定することで、運ばれる電荷の大きさを直接推定した。その結果、電流を担う粒子の電荷がeではなくe/3であることが確認された。これは電子が分裂したことを意味するのではなく、多数の電子が作る量子状態の中で生じる集団励起が分数電荷を示すことを意味する。この発見は、エニオンと呼ばれる特殊な準粒子の実在を支持し、量子計算や量子物理学の基礎研究に重要な知見を与えている。

<関連情報>

量子ホール効果を利用した分数クーロンメーター Quantum Hall antidot as a fractional coulombmeter

Mario Di Luca,Emily Hajigeorgiou,Zekang Zhou,Tevž Lotrič,Tengyan Feng,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,Steven H. Simon & Mitali Banerjee
Nature Physics  Published:14 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-026-03412-2

電子の3分の1の電荷を測定するグラフェン量子デバイスを開発(How do you measure one third of an electron?)

Abstract

The ability to detect the fractionally charged quasiparticles that arise in the fractional quantum Hall regime is of fundamental importance for probing their quantum properties. Although electronic interferometers have successfully probed their statistical properties, interpreting the results is often complicated by bulk–edge interactions. Antidots—tunable hills in the potential landscape in the device—are particularly valuable in this context, as they overcome the geometric limitations of conventional interferometer designs and act as controlled impurities. Here we demonstrate a method for extracting the charge of quasiparticles as they tunnel through an antidot. To accomplish this, we employ a gate-defined bilayer-graphene antidot operating in the Coulomb-dominated regime to study quasiparticle tunnelling in both integer and fractional quantum Hall states and we report direct measurements of fractional charge. Our derived theoretical model indicates that the differences in the measured charges may be attributed to variations in edge re-equilibration arising from a different parity of downstream integer edge modes. The simplicity and tunability of this design open a pathway to extending antidot-based charge measurements to other van der Waals materials and establishing antidots as a broadly applicable platform for studying topological materials.

1701物理及び化学
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