在量子世界里，看似 “空无一物” 的真空实则充满着不断涨落的电磁场，这些真空场波动（如兰姆位移、自发辐射和卡西米尔效应的根源）长期以来在固态系统中因影响微弱而被忽视。然而，低维系统中电子关联与量子电动力学效应的相互作用，正成为凝聚态物理的前沿领域，对量子材料和器件工程具有重要意义。高迁移率二维电子气（2DEG）的量子霍尔体系，因其能展现强关联电子态，成为探究真空电磁场影响的理想平台。但如何直接观测和调控真空场与电子态的相互作用，仍是亟待突破的科学难题。
瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）的 Josefine Enkner、Jérôme Faist 等研究人员，在《Nature》上发表了题为 “Tunable vacuum-field control of fractional and integer quantum Hall phases” 的研究论文。他们通过构建可精细调节真空场强度的移动腔系统，首次在实验上证实了真空电磁场对量子霍尔态的显著调控作用，为理解强关联电子体系与量子光场的相互作用开辟了新维度。
研究人员采用的核心技术包括：
- 移动腔系统：通过调节金属开环谐振器（CSRR）与 GaAs 基二维电子气（2DEG）的间距（从完全解耦的 1200 μm 到超强耦合的 0.35 μm），精准控制真空场与电子气的耦合强度（归一化耦合强度 ΩRabi/ωcav从 0% 至 32%）。
- 磁输运测量：在强垂直磁场下，通过测量纵向电阻（ρxx）和横向电阻（RH），表征整数量子霍尔（IQH）态和分数量子霍尔（FQH）态的输运特性。
- 激活输运分析：利用阿伦尼乌斯定律拟合激活能，提取能隙参数，研究真空场对电子自旋分裂和 FQH 能隙的影响。
研究结果
真空场调控整数与分数量子霍尔态的输运特性
当谐振器靠近 2DEG 时，奇整数填充因子（如 ν=13、15 等）的纵向电阻最小值升高，量子化平台退化，表明真空场削弱了电子自旋分裂。通过激活能分析发现，有效旋磁因子 g*从解耦状态的 6.5 降至超强耦合状态的 4.5，印证了交换能修正的减少。
对于分数量子霍尔态（如 4/3、5/3、7/5），随着耦合强度增加，纵向电阻最小值降低，平台展宽，能隙显著增大。例如，5/3 态的激活能在耦合强度 32% 时比解耦状态提高约 50%，而属于 1/5 Laughlin 态家族的 4/5 态能隙则无明显变化，提示真空场对不同 FQH 家族的作用存在差异。
虚拟光子介导的长程吸引相互作用
理论分析表明，真空场的强空间梯度（高达 108 V/m2）通过虚拟腔光子交换，在二维电子气中诱导出长程吸引势。该势在同一朗道能级内打破科恩定理限制，形成有效的电子 - 电子相互作用。计算显示，这种吸引势导致奇整数填充因子的交换分裂降低，同时通过抑制库仑相互作用的长程分量，增强特定 FQH 态的能隙，与实验结果吻合。
系统参数与机制验证
研究排除了静电屏蔽效应的干扰：金属谐振器与 2DEG 的间距远大于磁长度（约 10 nm），此时静电对库仑势的修正可忽略。对比实验与理论模型（如 Girvin–MacDonald–Platzman 磁激子理论），发现真空场梯度和耦合强度是调控效应的关键参数，且结果与半导体异质结的高电子迁移率（1.69×107 cm2/V・s）和低无序度高度相关。
研究结论与意义
本研究揭示了腔真空场通过虚拟光子交换重塑电子关联的新机制，首次在实验上实现了对量子霍尔体系中强关联电子态的真空场调控。具体而言，真空场诱导的长程吸引相互作用可有效降低自旋分裂、增强特定分数量子霍尔能隙，为低维材料中关联量子相的操控提供了全新手段。
该成果不仅拓展了腔量子电动力学（cavitronics）在凝聚态物理中的应用，也为设计紧凑型器件中定制化多体相互作用奠定了基础。未来，这种基于真空场调控的技术有望延伸至莫尔材料、分数量子反常霍尔绝缘体甚至量子信息处理领域，为探索新型量子态和开发高性能量子器件开辟新方向。
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