物理学院杜瑞瑞课题组与合作者首次观察到拓扑边缘态的库仑拖曳效应

库仑拖曳是介观电子系统中的一种量子效应。由于电子-电子相互作用,一维导体中的电流i会引起邻近平行的一维导体两端产生电压Vd,其拖曳电阻Rd =Vd/i的符号、幅度及随温度的变化情况将直接反映一维导体的特性。因此,对库仑拖曳的观察是了解奇异一维电子系统(例如Luttinger液体)物理的重要窗口。

最近,北京大学物理学院量子材料科学中心杜瑞瑞教授课题组与南京大学、莱斯大学、马里兰大学等单位合作,首次观察到自旋霍尔边缘态之间的库仑拖曳。该工作的突破点之一在于发展了一种巧妙的样品制作程序,可以有效、精确地控制一对平行边缘态之间的距离(50 nm)和库仑作用的强度,从而为同类研究提供实验平台(图a)。与已报道的非拓扑一维导体的低温库仑拖曳电阻(Rd >0且幅度随温度下降而单调上升)不同,这里观察到的Rd在低温下的符号为负且幅度随温度上升而减小,在温度为1.5 K 附近时发生符号改变且在更高温度时趋于零(图b)。

(a)边缘态库仑拖曳器件与测量电路的原理图;(b)拖曳电阻随温度的变化情况;(c)基于两种散射机制竞争的理论模型

同时,伴随库仑拖曳信号的噪声是介观电子系统低温输运的重要特征。理论分析表明,库仑拖曳信号具有在低温区呈现负号和非单调的变温特性,从而证实了边缘态存在狄拉克点,以及受时间反演对称性保护的helical边缘态之间直接散射和Umklapp散射两种机制之间存在竞争(图c)。借助类似的实验平台和更精密的调控方法,可以进一步揭示库仑相互作用下一维狄拉克电子和空穴的激子束缚态,从而开辟探索固体中一维玻色-爱因斯坦凝聚和超流态等宏观量子现象新的实验途径。

2021年6月21日,相关研究工作以“Coulomb drag in topological wires separated by an air gap(拓扑边缘态的库仑拖曳效应)”为题,在线发表于Nature Electronics(《自然·电子学》),表明拓扑边缘态的库仑拖曳现象不仅具有基础物理意义,并且受到纳米电子学领域的关注。南京大学杜灵杰教授和北京大学物理学院2016级博士研究生郑建民为共同第一作者,杜灵杰、杜瑞瑞为共同通讯作者,吴幸军博士参与实验研究。

上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项(B类)等支持。

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