近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心國(guó)際功能材料量子設(shè)計(jì)中心和物理系中科院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授曾長(zhǎng)淦、副研究員李林團(tuán)隊(duì)，與北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心教授馮濟(jì)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。該研究通過(guò)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(guò)程中存在顯著的量子干涉效應(yīng)。3月16日，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，在線發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

　　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，均源于載流子擴(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(guò)程，可在非相互作用的單粒子框架下較好地解釋。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(huì)展現(xiàn)出類似的量子力學(xué)行為，是重要的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。拖拽效應(yīng)是指對(duì)于兩個(gè)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(dòng)層）施加驅(qū)動(dòng)電流，層間載流子之間的動(dòng)量/能量轉(zhuǎn)移會(huì)誘導(dǎo)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(yīng)被廣泛用于研究載流子長(zhǎng)程耦合特性，以及發(fā)現(xiàn)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，缺乏對(duì)這一獨(dú)特輸運(yùn)過(guò)程本身的外場(chǎng)響應(yīng)特性及可能的量子效應(yīng)的研究。

　　石墨烯基二維電雙層結(jié)構(gòu)為在二維極限下開(kāi)展深入研究提供了平臺(tái)。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，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。基于此，研究構(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(gè)石墨烯基電雙層結(jié)構(gòu)。通過(guò)系統(tǒng)的外磁場(chǎng)下拖拽響應(yīng)特性測(cè)試，研究發(fā)現(xiàn)在很大的溫度/載流子濃度范圍內(nèi)，低磁場(chǎng)區(qū)間內(nèi)拖拽磁電阻均會(huì)明顯偏離經(jīng)典庫(kù)倫拖拽行為，且這種偏離的符號(hào)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(duì)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(chǎng)的電阻峰，而對(duì)于雙層/單層體系，則為電阻谷。

　　通過(guò)對(duì)拖拽輸運(yùn)過(guò)程的系統(tǒng)性分析，研究發(fā)現(xiàn)，觀察到的低場(chǎng)修正可以較好地歸因于由時(shí)間反演和鏡面對(duì)稱聯(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(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(shì)散射起到重要作用。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(gè)導(dǎo)體間多粒子耦合輸運(yùn)過(guò)程，進(jìn)一步豐富了量子干涉的物理內(nèi)涵。此外，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(chǔ)器件提供新思路。 

　　近年來(lái)，曾長(zhǎng)淦與李林團(tuán)隊(duì)不斷突破器件制備和測(cè)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：利用石墨烯體系獨(dú)特的層數(shù)依賴的能帶色散，揭示了無(wú)質(zhì)量費(fèi)米子和有質(zhì)量費(fèi)米子之間長(zhǎng)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)）。上述研究表明了二維電雙層體系在誘導(dǎo)實(shí)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(shì)。

　　研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部、中科院、安徽省和中國(guó)科大的支持。

　　論文鏈接 

（a）層間拖拽效應(yīng)測(cè)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。