Nat.Commun.：中科大、北大团队揭示层间库仑阻力的量子干扰

　　光子盒研究院出品

　　近日，由中国科学技术大学/中科院强耦合量子材料物理重点实验室的曾长淦教授领导的团队，与北京大学冯济教授的团队合作，首次利用基于石墨烯的电子双层系统在层间传输过程中发现了明显的量子干扰效应。

　　他们的工作发表在《自然·通讯》上。

　　

　　库仑阻力(Coulomb drag)是发生在两个相邻但相互绝缘的导电层之间的效应，其中一个层 (主动层，active layer) 的移动载流子诱导另一个层 (被动层，passive layer) 的载流子传输，从而在被动层产生开路电压。

　　库仑阻力在以前的载流子(carrier)之间长距离相互作用的研究中得到了广泛的应用，例如间接激子的玻色-爱因斯坦凝聚。然而，对库仑阻力可能的量子效应的研究还很缺乏。

　　作为一种二维电子气体，石墨烯具有高度可调的载流子类型和密度，使用氮化硼(hBN)作为绝缘层，两层石墨烯之间的距离可以减少到几纳米——这为研究层间库仑阻力的特性提供了一个理想的平台。

　　在此基础上，研究小组构建了多个基于石墨烯的电子双层系统，如以hBN为绝缘间隔的双层石墨烯(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，在广泛的温度和载流子密度范围内，磁阻在低场制度下明显偏离了经典的牵引阻力(drag resistance)。

　　

　　随着温度和载流子密度的变化，磁阻行为的演变

　　这种低场校正对石墨烯层的带状拓扑结构很敏感。例如，在BLG/BLG和MLG/MLG的低场校正中观察到一个峰值特征，而BLG/MLG的校正则显示出一个谷底特征。

　　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的库仑阻力的量子干扰，这些库仑阻力通过时间逆转和镜像反射相互关联。这种量子干扰的出现依赖于叠加的层间扩散路径的形成，其中来自中间绝缘层的杂质势散射(impurity potential scatterings)起到了关键作用。

　　

　　库仑阻力中的量子干涉(QI)

　　

　　单层/单层石墨烯(MLG/MLG)和单层/双层石墨烯(MLG/BLG) 器件的典型磁阻数据

　　这种新的量子干涉的发现将固体材料中的量子干涉从单一导体中的单粒子传输过程扩展到多个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修正相比，磁阻修正明显更大——这为未来发展新原理的磁性存储设备提供了候选：从工程角度来看，可能在新原理电子器件中具有应用前景。