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“拓扑边缘态的库仑拖曳效应”(Coulomb drag in topological wires separated by an air gap)为题,在线发表于《自然·电子学》(Nature Electronics),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,吴幸军博士参与了实验研究。
上述工作得到国家自然科学基金委、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。
论文链接:https://www.nature.com/articles/s41928-021-00603-y