1998年諾貝爾物理學獎授予美國加州斯坦福大學的勞克林,美國紐約哥倫比亞大學與新澤西州貝爾實驗室的施特默和美國新澤西州普林斯頓大學電氣工程係的崔琦,以表彰他們發現了一種具有分數電荷激發狀態的新型量子流體,這種狀態起因於所謂的分數量子霍耳效應。
量子流體早在研究極低溫狀態下的液氦和超導體時就已有所了解。在這些領域裏,已經有好幾位物理學家獲得過諾貝爾物理學獎。例如,卡末林-昂內斯由於液氦的研究和超導電性的發現獲1913年諾貝爾物理學獎;朗道由於液氦和超流理論獲1962年諾貝爾物理學獎;巴丁、庫珀和施裏弗由於提出超導電性的BCS理論獲1972年諾貝爾物理學獎;卡皮查由於發現氦的超流動性獲1978年諾貝爾物理學獎;柏諾茲和繆勒由於發現高溫超導獲1987年諾貝爾物理學獎;戴維·李、奧謝羅夫和裏查森則因發現氦3的超流動性獲1996年諾貝爾物理學獎。這麼多的物理學家受到如此殊榮,說明凝聚態物理學在20世紀有極大的發展,而低溫和超導在這一領域內又具有特殊重要的地位。分數量子霍耳效應正是繼高溫超導之後凝聚態物理學又一項嶄新課題。
多年後,美國新澤西州姆勒山AT&T貝爾實驗室的崔琦和施特默在研究霍耳效應中用質量極佳的砷華為基片的镓樣品做實驗。樣品的純度是如此之高,以至於電子在裏麵竟可以像子彈一樣運動。也就是說,它在相當長的路程中不會受到雜質原子的散射。為了獲得這樣的樣品,半導體樣品要經過“調製”——在傳導層旁邊的一層特別予以摻雜。他們用的樣品是哥薩德製備的,而哥薩德所用的分子束外延技術則是由周等人開發的。散射長度在低溫下會增大,因此實驗要在1K以下和非常強的磁場中進行。在原始的實驗中,磁場的強度高達20T。出乎他們意料的是,這一實驗所得的霍耳平台相當於填充因子要取分數值。他們最早發表的論文中公布了f=1/3的平台。他們還發現有跡象表明在2/3處也有平台。根據最低朗道能級的粒子-空穴對稱性,他們認為可能相當於空穴的1/3填充因子。
分數量子霍耳效應的發現使凝聚態物理學界大為驚奇。從來沒有人預言過以分數填充的朗道能級有什麼特殊值得注意的特性。崔琦和施特默完全知道,與整數量子霍耳效應相反,用忽略電子間相互作用的模型是無法對分數量子霍耳效應作出解釋的。他們設想,理解整數效應的論據不能用於這種情況。然而,他們注意到,如果為了某種理由還要用到那些論據,就必須承認有攜帶分數電荷的準粒子存在,例如當f=1/3時,準粒子所帶電荷為e/3。然而,為什麼會出現攜帶分數電荷的準粒子呢?
分數量子霍耳效應的發現,是對理論家的嚴峻挑戰。一時間理論方麵沒有多少進展。貝爾實驗室的勞克林則獨辟蹊徑,他對分數量子霍耳效應作出了出乎人們意料的理論解釋。勞克林證明,當電子體係的密度相當於“簡單”分數填充因子為f=1/m(m是奇整數,例如f=1/3或1/5)時,電子體係凝聚成了某種新型的量子液體。他甚至提出了一個多電子波函數,用以描述電子間有相互作用的量子液體的基態。勞克林還證明,在基態和激發態之間有一能隙,激發態內存在分數電荷±e/m的“準粒子”。這就意味著霍耳電阻正好會量子化為m乘h/e2。
勞克林認為,從基態到基本激發會產生特殊的旋渦。例如,可以想像我們從體係中移走一個(帶整數電荷的)電子。在勞克林的圖像中,有m個旋渦未受束縛,每個“準粒子”帶一負1/m電荷,即被移走的整數電荷的1/m。類似地,如有一普通電子加到勞克林的液體中,就會立刻分出奇數的準粒子,每個準粒子帶著電子電荷的同一分值。由於電子傾向於在基態中相互聯係,這樣庫侖斥力可減到最小。增加或減少一個電子或磁通量子都會幹擾這一次序,並造成相應的能量損失。正因為如此,f=1/m量子態代表了凝聚的多粒子基態。由於電子的位置是不固定的,像在固體中那樣,勞克林態成了一種新型量子液體。