近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學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實驗室教授曾長淦、副研究員李林團隊，與北京大學物理學院量子材料科學中心教授馮濟課題組合作，在二維電雙層結構層間拖拽效應研究中取得新進展。該研究通過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程中存在顯著的量子干涉效應。3月16日，相關研究成果以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。

　　量子干涉效應是量子力學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，均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，諸如層間拖拽效應這種路徑更為復雜的多粒子耦合輸運中是否會展現出類似的量子力學行為，是重要的基礎科學問題。拖拽效應是指對于兩個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（主動層）施加驅動電流，層間載流子之間的動量/能量轉移會誘導另一層（被動層）載流子移動，從而在被動層產生一個開路電壓或閉路電流。此前，拖拽效應被廣泛用于研究載流子長程耦合特性，以及發(fā)現如間接激子波色愛因斯坦凝聚等層間關聯量子態(tài)。然而，缺乏對這一獨特輸運過程本身的外場響應特性及可能的量子效應的研究。

　　石墨烯基二維電雙層結構為在二維極限下開展深入研究提供了平臺。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，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，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，研究構筑了雙層石墨烯/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構。通過系統的外磁場下拖拽響應特性測試，研究發(fā)現在很大的溫度/載流子濃度范圍內，低磁場區(qū)間內拖拽磁電阻均會明顯偏離經典庫倫拖拽行為，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(qū)間的修正均表現為低場的電阻峰，而對于雙層/單層體系，則為電阻谷。

　　通過對拖拽輸運過程的系統性分析，研究發(fā)現，觀察到的低場修正可以較好地歸因于由時間反演和鏡面對稱聯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載流子擴散路徑共同組成。這種層間量子干涉的產生依賴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勢散射起到重要作用。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，拓展到多個導體間多粒子耦合輸運過程，進一步豐富了量子干涉的物理內涵。此外，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增大，從而有望為發(fā)展新原理存儲器件提供新思路。 

　　近年來，曾長淦與李林團隊不斷突破器件制備和測試技術，在石墨烯基電雙層結構層間拖拽研究中取得了系列進展：利用石墨烯體系獨特的層數依賴的能帶色散，揭示了無質量費米子和有質量費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)）。上述研究表明了二維電雙層體系在誘導實現超越單一體系的新型耦合量子效應方面的獨特優(yōu)勢。

　　研究工作得到國家自然科學基金、科技部、中科院、安徽省和中國科大的支持。

　　論文鏈接 

（a）層間拖拽效應測試示意圖；（b）電子-電子區(qū)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。