过去四十年里，物理学界一直在寻找一种状态：分数量子霍尔效应。它奇特、稀有、难以实现。更重要的是，它被认为是构建拓扑量子计算的关键。而现在，这种状态，终于在没有外部磁场的情况下，大量出现了。

霍尔效应（Hall effect）是一种经典物理现象，指的是：当电流沿着金属导体流动时，如果在垂直方向上加一个磁场，导体内部的电子会被磁力偏转，导致导体的侧面出现电压差。

哥伦比亚大学的研究团队，在一个叫做“扭曲二碲化钼”（MoTe₂）的材料中，观测到十几种前所未见的分数量子态。传统上，人们需要在接近绝对零度的极低温下，给材料施加强磁场，才可能诱导出分数量子霍尔态。而现在，这种材料自身的内部结构，就能制造出等效的“自发磁场”，无需外加磁铁。

为什么能这样？

因为材料不是平铺的，而是“扭曲”的。科学家把两层原子级薄片轻微错开角度，形成一种叫“摩尔图案（moiré pattern）”的周期性干涉结构。这种结构本身，就改变了电子在材料中的运动方式，使得它们像是在一个看不见的磁场中运行。这是数学上严格等价的“有效磁场”。

这种效应，最早是由华盛顿大学的许晓东团队在2023年发现。他们在类似材料中找到了两个分数量子态。而这次，哥大团队在此基础上，通过精密的光学探测手段，观察到了十几个。

他们使用一种叫“泵浦-探针光谱”（pump-probe spectroscopy）的方法，用一束超快激光短暂扰动材料中的量子态，再用另一束激光追踪它们如何恢复。这个方法，不仅能观察这些态是否存在，还能追踪它们的能量分布、响应速度、介电特性等关键参数。

而这些量子态，有些带有奇特的分数电荷，比如 -1/3、-2/5、-1/2。这不是电子真的裂成碎片，而是很多电子在量子纠缠作用下，表现出像是一个“整体粒子”，但这个粒子的电荷，恰好是分数。这是1980年代Horst Störmer团队首次在高磁场实验中观测到的奇异现象，他也因此获得了诺贝尔奖。

因为未来量子计算机如果要商用，就不能依赖外部强磁场，它既不稳定，也不易集成。而拓扑量子计算被认为是最有希望克服误差、保持稳定的一种路线，它需要的正是这种“非阿贝尔量子态”，其中一种就是通过分数量子霍尔态来实现的。

非阿贝尔，是指交换两个粒子的位置，会改变整个系统的量子态。这听起来抽象，但在计算上意味着每一步操作可以编码不同的信息，而且抗干扰。理论上，这种系统非常适合构建容错量子比特（topological qubit）。

这也是为什么研究者说，他们像是进入了“一个新的维度”。

如果说二十世纪的物理是粒子物理的世纪，那么这个世纪的前半段，很可能是量子材料和拓扑物态的主场。