杜瑞瑞课题组与合作者首次观察到拓扑边缘态的库仑拖曳效应

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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“Coulomb drag in topological wires separated by an air gap（拓扑边缘态的库仑拖曳效应）”为题，在线发表于Nature Electronics（《自然·电子学》），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，吴幸军博士参与实验研究。
        上述工作得到国家自然科学基金、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。


         文章来源：北京大学
         杜瑞瑞现任北京大学物理学院讲席教授，国际量子材料中心主任。于2011年入选为国家高级专家，回国前任美国莱斯大学物理与天文系教授。杜瑞瑞毕业于复旦大学, 1990年获得美国伊利诺斯(香槟)物理学博士学位。 1990 至1994 年于普林斯顿大学与贝尔实验室进行博士后研究期间, 通过一系列原创和高难度的实验, 证实了在分数量子霍尔效应中存在新的准粒子，称为复合费米子, 并测量了该粒子的一系列物理性质。这些成果现公认为该领域的经典工作。这些实验工作改变了人们对于凝聚态系统中电子－电子相互作用的传统认识，具有深远的影响。杜瑞瑞教授一直从事凝聚态中低温量子输运实验研究，如量子霍尔效应和其他低维系统, 以及拓扑量子材料和拓扑量子计算的基础问题等, 长期以来做出了一系列具有重要国际影响的工作。1996 年获得Sloan 研究奖; 1997 获得海外华人物理学家协会OCPA 杰出研究奖; 2003 年被选为美国物理学会Fellow。所领导的实验室在分数量子霍尔效应和拓扑材料研究方面居国际领先地位。到北京大学工作后的主要目标是在北大国际量子材料中心建立一支高水平的凝聚态实验研究团队, 并带领团队把北京大学低维体系量子输运研究总体上提升到国际一流水平。