研究人员揭示了层间库仑阻力中的量子干涉

层内和层间量子干涉原理图。图片来源：朱丽君等

由中国科学技术大学/中国科学院强耦合量子物质物理重点实验室的曾长安教授和副研究员李林领导的团队与北京大学冯姬教授的团队合作，首次使用石墨烯基电子双层系统揭示了层间传输过程中的显着量子干涉效应。他们的工作发表在Nature Communications上。

库仑阻力是发生在两个相邻但彼此绝缘的导电层之间的效应，其中一层（有源层）中的移动载流子在另一层（无源层）中诱导载流子的传输，从而在无源层中产生开路电压。

库仑阻力在以往关于载流子之间长程相互作用的研究中得到了广泛的应用，如间接激子的玻色-爱因斯坦凝聚。然而，对库仑阻力的外部场响应和可能的量子效应缺乏研究。

石墨烯作为一种二维电子气体，具有高度可调的载流子类型和密度，并且使用氮化硼（hBN）作为绝缘层，两层石墨烯之间的距离可以减小到几纳米，为研究层间库仑阻力特性提供了理想的平台。

在此基础上，该团队构建了多个基于石墨烯的电子双层系统，例如以hBN为绝缘间隔的双层双层石墨烯（BLG / BLG），双层单层石墨烯（MLG / MLG）和MLG / BLG。通过在基于石墨烯的双层系统上施加外部磁场，研究小组观察到，在很宽的温度和载流子密度范围内，磁阻与低场状态下的经典阻力明显偏离。

这种低场校正对石墨烯层的能带拓扑很敏感。例如，在BLG/BLG和MLG/MLG的低场校正中观察到峰值特征，而BLG/MLG校正显示出谷值特征。

通过分析传输过程，研究小组发现观察到的低场校正可以很好地归因于两层之间库仑阻力中的量子干涉，这些干涉通过时间反转和镜反射相互关联。这种量子干涉的出现依赖于叠加层间扩散路径的形成，其中来自中间绝缘层的杂质势散射起着至关重要的作用。

这种新量子干涉的发现将固体材料中的量子干涉从单导体中的单粒子传输过程扩展到多导体之间的多粒子相互作用。此外，与层内量子干涉中的磁阻校正相比，磁阻校正明显更大，为未来新原理磁存储器件的发展提供了候选条件。

更多信息：朱丽君等，石墨烯基电子双层系统中层间库仑拖曳中量子干涉效应的特征，自然通讯（2023）。DOI： 10.1038/s41467-023-37197-2

期刊信息：自然通讯