研究分析层间拖拽输运中的量子干涉效应

发布时间：2023-03-28 08:44:55 所属栏目：动态来源：

导读：近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心和物理系中科院强耦合量子材料物理重点实验室教授曾长淦、副研究员李林团队，与北京大学物理学院量子材料科学中心教授冯济课题组合作

近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心和物理系中科院强耦合量子材料物理重点实验室教授曾长淦、副研究员李林团队，与北京大学物理学院量子材料科学中心教授冯济课题组合作，在二维双层结构层间拖拽效应研究中取得新进展。该研究通过构筑氮化硼绝缘层间隔的多种石墨烯基双层结构，首次揭示了在层间拖拽这一复杂的粒子输运过程中存在显著的量子干涉效应。相关研究成果以 Signature of quantum interference effect in inter-layer Coulomb drag in graphene-based electronic double-layer systems 为题，在线发表在《自然-通讯》（ Nature Communications ）上。

量子干涉效应是量子力学中波粒二象性的直接体现。在固体材料中，弱局域化、普适电导涨落和Aharonov-Bohm效应等独特量子输运现象，均源于载流子扩散路径之间的量子干涉。然而，这些干涉行为均发生在单一导体内的载流子输运过程，可在非相互作用的单粒子框架下较好地解释。与之相比，诸如层间拖拽效应这种路径更为复杂的多粒子耦合输运中是否会展现出类似的量子力学行为，是重要的基础科学问题。拖拽效应是指对于两个空间相近但彼此绝缘的导电层构成的双层结构，在其中一层（主动层）施加驱动电流，层间载流子之间的动量/能量转移会诱导另一层（被动层）载流子移动，从而在被动层产生一个开路电压或闭路电流。此前，拖拽效应被广泛用于研究载流子长程耦合特性，以及发现如间接激子波色爱因斯坦凝聚等层间关联量子态。然而，该特殊输运过程的外场响应特征和可能的量子效应缺乏相关研究。因此，本研究旨在通过分析输运过程中的不同层间关联量子态，揭示其中的物理机制。

通过对拖拽输运过程的系统性分析，研究发现，观察到的低场修正可以较好地归因于由时间反演和镜面对称联系起来的两个层间拖拽过程之间的量子干涉，而其干涉路径则由空间分隔的两个石墨烯层层内载流子扩散路径共同组成。这种层间量子干涉的产生依赖于两层石墨烯中空间重叠的扩散路径的形成，其中中间绝缘层的杂质热散射起到重要作用。这一新型量子干涉效应的发现，将固体材料中的量子干涉行为，从单一导体内单一粒子输运行为，拓展到多个导体间多粒子耦合输运过程，进一步丰富了量子干涉的物理内涵。此外，相比于传统层内量子干涉导致的磁阻修正，层间量子干涉导致的拖拽磁阻的修正显著增大，因此,有望带来新的思路来开发新的原理储存器件。

近年来，曾长淦与李林团队不断突破器件制备和测试技术，在石墨烯基双层结构层间拖拽研究中取得了系列进展：利用石墨烯体系独特的层数依赖的能带色散，揭示了无质量费米子和有质量费米子之间长程耦合的指纹特性（Nano Lett. 20, 1396-1402 (2020)）；在石墨烯（二维半金属）和LaAlO3/SrTiO3异质结（界面二维超导）组成的杂化电双层结构中发现由量子涨落诱导的巨幅超流拖拽效应（Nature Phys. 19, 372-378 (2023)）。上述研究表明了二维电双层体系在诱导实现超越单一体系的新型耦合量子效应方面的独特优势。

（编辑：汽车网）

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