近日，我校合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心國際功能材料量子設(shè)計中心和物理系中科院強(qiáng)耦合量子材料物理重點實驗室曾長淦教授、李林副研究員研究團(tuán)隊與北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心馮濟(jì)教授課題組合作,，在二維電雙層結(jié)構(gòu)層間拖拽效應(yīng)研究中取得新進(jìn)展,。通過構(gòu)筑氮化硼絕緣層間隔的多種石墨烯基電雙層結(jié)構(gòu),，首次揭示了在層間拖拽這一復(fù)雜的多粒子輸運(yùn)過程中存在顯著的量子干涉效應(yīng),。相關(guān)研究成果以“Signature of quantum interference effect in inter-layer Coulomb drag in graphene-based electronic double-layer systems”為題于3月16日在線發(fā)表在《Nature Communications》上（DOI:10.1038/s41467-023-37197-2）。
量子干涉效應(yīng)是量子力學(xué)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(dǎo)漲落和Aharonov-Bohm效應(yīng)等獨(dú)特量子輸運(yùn)現(xiàn)象,，都源于載流子擴(kuò)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(dǎo)體內(nèi)的載流子輸運(yùn)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(yīng)這種路徑更為復(fù)雜的多粒子耦合輸運(yùn)中是否會展現(xiàn)出類似的量子力學(xué)行為，是一個重要的基礎(chǔ)科學(xué)問題,。所謂拖拽效應(yīng),，是指對于兩個空間相近但彼此絕緣的導(dǎo)電層構(gòu)成的電雙層結(jié)構(gòu)，在其中一層（主動層）施加驅(qū)動電流,，層間載流子之間的動量/能量轉(zhuǎn)移會誘導(dǎo)另一層（被動層）載流子移動,，從而在被動層產(chǎn)生一個開路電壓或閉路電流。此前,，拖拽效應(yīng)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(guān)聯(lián)量子態(tài)。然而對這一獨(dú)特輸運(yùn)過程本身的外場響應(yīng)特性及可能的量子效應(yīng)研究還十分缺乏,。
石墨烯基二維電雙層結(jié)構(gòu)為在二維極限下深入相關(guān)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(diào),，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(nèi)表征層間拖拽特性成為可能,?；诖耍芯繄F(tuán)隊構(gòu)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(jié)構(gòu),。通過系統(tǒng)的外磁場下拖拽響應(yīng)特性測試，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)在很大的溫度/載流子濃度范圍內(nèi),，低磁場區(qū)間內(nèi)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?fù)湫裕措娮硬ê瘮?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(yùn)過程的系統(tǒng)性分析,，研究團(tuán)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(nèi)載流子擴(kuò)散路徑共同組成,。這種層間量子干涉的產(chǎn)生依賴于兩層石墨烯中空間重疊的擴(kuò)散路徑的形成,，其中中間絕緣層的雜質(zhì)勢散射起到至關(guān)重要的作用。這一新型量子干涉效應(yīng)的發(fā)現(xiàn),，將固體材料中的量子干涉行為,，從單一導(dǎo)體內(nèi)單一粒子輸運(yùn)行為，拓展到多個導(dǎo)體間多粒子耦合輸運(yùn)過程,，進(jìn)一步豐富了量子干涉的物理內(nèi)涵,。另一方面，相比于傳統(tǒng)層內(nèi)量子干涉導(dǎo)致的磁阻修正,，層間量子干涉導(dǎo)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。
圖示：（a）層間拖拽效應(yīng)測試示意圖,；（b）電子-電子區(qū)間典型拖拽磁電阻,；（c）從層內(nèi)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(tuán)隊不斷突破器件制備和測試技術(shù)，在石墨烯基電雙層結(jié)構(gòu)層間拖拽研究中取得了系列進(jìn)展：如利用石墨烯體系獨(dú)特的層數(shù)依賴的能帶色散,，成功揭示了無質(zhì)量費(fèi)米子和有質(zhì)量費(fèi)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(zhì)結(jié)（界面二維超導(dǎo)）組成的雜化電雙層結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)由量子漲落誘導(dǎo)的巨幅超流拖拽效應(yīng)（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(dǎo)實現(xiàn)超越單一體系的新型耦合量子效應(yīng)方面的獨(dú)特優(yōu)勢,。
我校微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心朱麗君博士和北京大學(xué)物理學(xué)院劉校強(qiáng)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(xué)馮濟(jì)教授為論文共同通訊作者,。該工作得到了國家自然科學(xué)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(xué)技術(shù)大學(xué)仲英青年學(xué)者項目的資助,。
值得一提的是，論文的兩位第一作者朱麗君博士和劉校強(qiáng)博士還是一對夫妻,，中山大學(xué)本科畢業(yè)后,，二人分別在中國科大和北大獲得了博士學(xué)位。在這一工作中,，他們分別出色完成了實驗測試和理論分析部分的主要內(nèi)容,。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37197-2
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、物理學(xué)院、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院,、科研部）
