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計中心和物理系中科院強耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗室曾長(cháng)淦教授、李林副研究員研究團隊與北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心馮濟教授課題組合作，在二維電雙層結構層間拖拽效應研究中取得新進(jìn)展。通過(guò)構筑氮化硼絕緣層間隔的多種石墨烯基電雙層結構，首次揭示了在層間拖拽這一復雜的多粒子輸運過(guò)程中存在顯著(zhù)的量子干涉效應。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(xiàn)發(fā)表在《Nature Communications》上（DOI:10.1038/s41467-023-37197-2）。
量子干涉效應是量子力學(xué)中波粒二象性的直接體現。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(guò)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(huì )展現出類(lèi)似的量子力學(xué)行為，是一個(gè)重要的基礎科學(xué)問(wèn)題。所謂拖拽效應，是指對于兩個(gè)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(dòng)層）施加驅動(dòng)電流，層間載流子之間的動(dòng)量/能量轉移會(huì )誘導另一層（被動(dòng)層）載流子移動(dòng)，從而在被動(dòng)層產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)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(cháng)程耦合特性，發(fā)現如間接激子波色愛(ài)因斯坦凝聚等層間關(guān)聯(lián)量子態(tài)。然而對這一獨特輸運過(guò)程本身的外場(chǎng)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(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(lèi)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納米，從而使得在更廣闊參數空間內表征層間拖拽特性成為可能。基于此，研究團隊構筑了雙層石墨烯/氮化硼/雙層石墨烯（以下稱(chēng)雙層/雙層）、單層/單層以及單層/雙層等多個(gè)石墨烯基電雙層結構。通過(guò)系統的外磁場(chǎng)下拖拽響應特性測試，研究團隊發(fā)現在很大的溫度/載流子濃度范圍內，低磁場(chǎng)區間內拖拽磁電阻均會(huì )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-電子區間的修正均表現為低場(chǎng)的電阻峰，而對于雙層/單層體系，則為電阻谷。
通過(guò)對拖拽輸運過(guò)程的系統性分析，研究團隊發(fā)現觀(guān)察到的低場(chǎng)修正可以很好地歸因于由時(shí)間反演和鏡面對稱(chēng)聯(lián)系起來(lái)的兩個(gè)層間拖拽過(guò)程之間的量子干涉，而其干涉路徑則由空間分隔的兩個(gè)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(chǎn)生依賴(lài)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(zhì)勢散射起到至關(guān)重要的作用。這一新型量子干涉效應的發(fā)現，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(gè)導體間多粒子耦合輸運過(guò)程，進(jìn)一步豐富了量子干涉的物理內涵。另一方面，相比于傳統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(zhù)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）層間拖拽效應測試示意圖；（b）電子-電子區間典型拖拽磁電阻；（c）從層內量子干涉到層間多粒子量子干涉。
近年來(lái)，曾長(cháng)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(shù)，在石墨烯基電雙層結構層間拖拽研究中取得了系列進(jìn)展：如利用石墨烯體系獨特的層數依賴(lài)的能帶色散，成功揭示了無(wú)質(zhì)量費米子和有質(zhì)量費米子之間長(cháng)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（界面二維超導）組成的雜化電雙層結構中發(fā)現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(shí)現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(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)院劉校強博士為論文共同第一作者。曾長(cháng)淦教授、李林副研究員與北京大學(xué)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(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(shí)驗測試和理論分析部分的主要內容。
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）
