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中國科大首次揭示層間拖拽輸運中的量子干涉效應 量子干涉效應是量子力學中波粒二象性的直接體現(xiàn)。在固體材料中，弱局域化、普適電導漲落和Aharonov-Bohm效應等獨特量子輸運現(xiàn)象，都源于載流子擴散路徑之間的量子干涉。然而這些干涉行為均發(fā)生在單一導體內的載流子輸運過程，可以在非相互作用的單粒子框架下很好地解釋。與之相比，諸如層間拖拽效應這種路徑更為復雜的多粒子耦合輸運中是否會展現(xiàn)出類似的量子力學行為，是一個重要的基礎科學問題。所謂拖拽效應，是指對于兩個空間相近但彼此絕緣的導電層構成的電雙層結構，在其中一層（主動層）施加驅動電流，層間載流子之間的動量/能量轉移會誘導另一層（被動層）載流子移動，從而在被動層產生一個開路電壓或閉路電流。此前，拖拽效應被廣泛用于研究載流子長程耦合特性，發(fā)現(xiàn)如間接激子波色愛因斯坦凝聚等層間關聯(lián)量子態(tài)。然而對這一獨特輸運過程本身的外場響應特性及可能的量子效應研究還十分缺乏。 石墨烯基二維電雙層結構為在二維極限下深入相關研究提供了很好的平臺，作為天然且理想的二維電子氣，石墨烯本身載流子類型和濃度均高度可調，且利用氮化硼作為絕緣層，兩層石墨烯之間的間距可以低至數(shù)納米，從而使得在更廣闊參數(shù)空間內表征層間拖拽特性成為可能�；诖耍芯繄F隊構筑了雙層石墨烯/氮化硼/雙層石墨烯（以下稱雙層/雙層）、單層/單層以及單層/雙層等多個石墨烯基電雙層結構。通過系統(tǒng)的外磁場下拖拽響應特性測試，研究團隊發(fā)現(xiàn)在很大的溫度/載流子濃度范圍內，低磁場區(qū)間內拖拽磁電阻均會明顯偏離經(jīng)典庫倫拖拽行為，并且這種偏離的符號直接取決于石墨烯層的能帶拓撲性（即電子波函數(shù)的貝利相位）。如對于雙層/雙層和單層/單層體系，拖拽電阻在電子-電子區(qū)間的修正均表現(xiàn)為低場的電阻峰，而對于雙層/單層體系，則為電阻谷。 通過對拖拽輸運過程的系統(tǒng)性分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)觀察到的低場修正可以很好地歸因于由時間反演和鏡面對稱聯(lián)系起來的兩個層間拖拽過程之間的量子干涉，而其干涉路徑則由空間分隔的兩個石墨烯層層內載流子擴散路徑共同組成。這種層間量子干涉的產生依賴于兩層石墨烯中空間重疊的擴散路徑的形成，其中中間絕緣層的雜質勢散射起到至關重要的作用。這一新型量子干涉效應的發(fā)現(xiàn)，將固體材料中的量子干涉行為，從單一導體內單一粒子輸運行為，拓展到多個導體間多粒子耦合輸運過程，進一步豐富了量子干涉的物理內涵。另一方面，相比于傳統(tǒng)層內量子干涉導致的磁阻修正，層間量子干涉導致的拖拽磁電阻的修正顯著增大，從而有望為發(fā)展新原理存儲器件提供新的思路。  圖：（a）層間拖拽效應測試示意圖；（b）電子-電子區(qū)間典型拖拽磁電阻；（c）從層內量子干涉到層間多粒子量子干涉。 近年來，曾長淦教授，李林副研究員研究團隊不斷突破器件制備和測試技術，在石墨烯基電雙層結構層間拖拽研究中取得了系列進展：如利用石墨烯體系獨特的層數(shù)依賴的能帶色散，成功揭示了無質量費米子和有質量費米子之間長程耦合的指紋特性（Nano Lett. 20, 1396-1402 (2020)）；在石墨烯（二維半金屬）和LaAlO3/SrTiO3異質結（界面二維超導）組成的雜化電雙層結構中發(fā)現(xiàn)由量子漲落誘導的巨幅超流拖拽效應（Nature Phys. 19, 372-378 (2023)）。這一系列工作充分表明了二維電雙層體系在誘導實現(xiàn)超越單一體系的新型耦合量子效應方面的獨特優(yōu)勢。 我校微尺度物質科學國家研究中心朱麗君博士和北京大學物理學院劉校強博士為論文共同第一作者。曾長淦教授、李林副研究員與北京大學馮濟教授為論文共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、中科院以及安徽省的資助。李林副研究員得到了中國科學技術大學仲英青年學者項目的資助。 |
