物理學院杜瑞瑞課題組與合作者首次觀察到拓撲邊緣態的庫侖拖曳效應

庫侖拖曳是介觀電子系統中的一種量子效應。由於電子-電子相互作用,一維導體中的電流i會引起鄰近平行的一維導體兩端產生電壓Vd,其拖曳電阻Rd =Vd/i的符號、幅度及隨温度的變化情況將直接反映一維導體的特性。因此,對庫侖拖曳的觀察是瞭解奇異一維電子系統(例如Luttinger液體)物理的重要窗口。

最近,北京大學物理學院量子材料科學中心杜瑞瑞教授課題組與南京大學、萊斯大學、馬里蘭大學等單位合作,首次觀察到自旋霍爾邊緣態之間的庫侖拖曳。該工作的突破點之一在於發展了一種巧妙的樣品製作程序,可以有效、精確地控制一對平行邊緣態之間的距離(50 nm)和庫侖作用的強度,從而為同類研究提供實驗平台(圖a)。與已報道的非拓撲一維導體的低温庫侖拖曳電阻(Rd >0且幅度隨温度下降而單調上升)不同,這裏觀察到的Rd在低温下的符號為負且幅度隨温度上升而減小,在温度為1.5 K 附近時發生符號改變且在更高温度時趨於零(圖b)。

(a)邊緣態庫侖拖曳器件與測量電路的原理圖;(b)拖曳電阻隨温度的變化情況;(c)基於兩種散射機制競爭的理論模型

同時,伴隨庫侖拖曳信號的噪聲是介觀電子系統低温輸運的重要特徵。理論分析表明,庫侖拖曳信號具有在低温區呈現負號和非單調的變温特性,從而證實了邊緣態存在狄拉克點,以及受時間反演對稱性保護的helical邊緣態之間直接散射和Umklapp散射兩種機制之間存在競爭(圖c)。藉助類似的實驗平台和更精密的調控方法,可以進一步揭示庫侖相互作用下一維狄拉克電子和空穴的激子束縛態,從而開闢探索固體中一維玻色-愛因斯坦凝聚和超流態等宏觀量子現象新的實驗途徑。

2021年6月21日,相關研究工作以“Coulomb drag in topological wires separated by an air gap(拓撲邊緣態的庫侖拖曳效應)”為題,在線發表於Nature Electronics(《自然·電子學》),表明拓撲邊緣態的庫侖拖曳現象不僅具有基礎物理意義,並且受到納米電子學領域的關注。南京大學杜靈傑教授和北京大學物理學院2016級博士研究生鄭建民為共同第一作者,杜靈傑、杜瑞瑞為共同通訊作者,吳幸軍博士參與實驗研究。

上述工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項(B類)等支持。

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