近日，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心何慶林課題組在陳絕緣體中觀察到了非互易庫倫拖曳現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)將庫倫拖曳的研究拓展到磁性拓?fù)湎到y(tǒng)，不僅為研究庫倫拖曳的非互易性提供了新的材料平臺，還加深了對陳絕緣體中量子態(tài)及其相互作用的理解。2025年3月29日，相關(guān)工作以“Non-reciprocal Coulomb drag between Chern insulators”為題，發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Nature Communications上。

近年來，何慶林課題組為實現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)、構(gòu)建拓?fù)淞孔颖忍兀≦ubit）做了大量的前期工作，上述的論文正是這些工作中的一個階段性成果。尤其在材料制備上，該課題組做了大量的研究，并取得了鼓舞人心的成果。他們利用分子束外延制備了陳絕緣體并實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)，深入研究了摻雜剖面對該效應(yīng)的影響，探討了限制其實現(xiàn)溫度的物理根源，該研究工作發(fā)表在Sci. Adv. 6 : eaaz3595（2020）、Nat. Mater. 21, 15—23（2022）。有理論指出，該材料中可能會因為滲流的存在而對拓?fù)涑瑢?dǎo)的測量造成干擾。為此，何慶林課題組專門設(shè)計了新的器件結(jié)構(gòu)和實驗方案，詳細(xì)地研究了這種材料中滲流形成的內(nèi)因和外因、分布、數(shù)量，以及如何在實驗中避免滲流的形成。這些研究結(jié)果匯總成兩篇長論文，發(fā)表在New J. Phys. 24, 083036（2022）、New J. Phys. 25, 033003（2023）。何慶林課題組還在分子束外延系統(tǒng)中搭建了掩模模塊，實現(xiàn)了“原位選區(qū)外延”這一重要的實驗手段，使其能在陳絕緣體上選擇性地外延具有特定花樣的超導(dǎo)體，這一成果為后續(xù)實現(xiàn)“原位制備拓?fù)銺ubit”打下實驗基礎(chǔ)。利用該模塊，他們制成了磁性、非磁性拓?fù)浣^緣體選區(qū)異質(zhì)結(jié)，使這單一器件中同時集成了拓?fù)涫中赃吔鐟B(tài)和表面態(tài)，實現(xiàn)了全拓?fù)?、低耗散電子輸運(yùn)，該成果發(fā)表在Commun. Phys. 6, 204（2023）。利用該設(shè)備，他們還研究如何從實驗上實現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)體和馬約拉納費(fèi)米子態(tài)。為此，他們通過界面控制，制備了多個陳絕緣體與超導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)，最終觀察到了可能存在的拓?fù)涑瑢?dǎo)、馬約拉納費(fèi)米子一維態(tài)的信號特征，該成果發(fā)表在J. Phys.: Condens. Matter 36（2024）37LT01。上述的研究成果為未來實現(xiàn)拓?fù)銺ubit打下了重要的材料基礎(chǔ)。

接下來，何慶林課題組聚焦于拓?fù)銺ubit的器件制備。他們首次制備了基于量子反?；魻栃?yīng)的量子干涉儀，并計劃將該干涉儀應(yīng)用于拓?fù)銺ubit中。該干涉儀基于手性邊界態(tài)之間的Aharonov–Bohm干涉、庫倫作用，他們在實驗上首次觀察到手性邊界態(tài)的干涉條紋，該工作發(fā)表在J. Appl. Phys. 133, 084401（2023）。近日，該課題組為了探索如何讀取拓?fù)銺ubit中的量子態(tài)，在陳絕緣體中設(shè)計、制備了新的器件結(jié)構(gòu)，計劃利用庫倫相互作用和（或）量子電容效應(yīng)探測干涉儀中的量子信息。研究表明，這一器件結(jié)構(gòu)能成功利用庫倫拖曳、非接觸式地探測近鄰器件中的信號。這是制備拓?fù)銺ubit的一個里程碑，為實現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎阆蚯斑~出一大步。下面將詳細(xì)介紹這一工作。

庫倫拖曳是指在器件主動端施加驅(qū)動電流，可以通過庫倫相互作用在近鄰但絕緣隔離的被動端中產(chǎn)生拖曳電壓。在多數(shù)低維體系中，被動端載流子的動量來自主動端的動量損失，庫倫拖曳遵循昂薩格互易關(guān)系。但在某些系統(tǒng)中，主動端的量子漲落或噪聲也可以在被動端誘導(dǎo)載流子運(yùn)動，而系統(tǒng)的電子空穴不對稱性則發(fā)揮整流作用，使被動端中電荷定向移動或積累。在這種情況下，拖曳信號的極性不再隨驅(qū)動電流方向反轉(zhuǎn)而改變，將打破昂薩格關(guān)系，具有非互易性。然而，目前針對磁性體系庫倫拖曳的研究較為匱乏，磁動力學(xué)對庫倫拖曳的影響尚不明確。復(fù)雜的磁性結(jié)構(gòu)可能為探索庫侖拖曳非互易性機(jī)制提供新的線索，研究陳絕緣體中庫倫拖曳的形成機(jī)制，還有助于促進(jìn)對陳絕緣體中量子態(tài)及其相互作用的理解。

研究團(tuán)隊使用生長在GaAs襯底上的V摻雜的（Bi, Sb）2Te3外延薄膜樣品，設(shè)計并制備了平行雙霍爾條器件，兩個霍爾條由一個真空絕緣狹縫分隔。當(dāng)垂直于樣品表面掃描磁場時，在陳絕緣體發(fā)生平臺轉(zhuǎn)變對應(yīng)的磁場區(qū)間，可以觀察到顯著的庫倫拖曳信號。

在該器件中觀察到的縱向和橫向庫倫拖曳具有非互易性，均打破了昂薩格關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，縱向庫倫拖曳電壓的極性不受驅(qū)動電流的方向和外加磁場的方向等因素影響，也不依賴于驅(qū)動和拖曳電路的選擇，但取決于不同的樣品和驅(qū)動電勢極性。無論驅(qū)動電流的方向如何，拖曳電路中電荷只向特定方向積累，表現(xiàn)出整流機(jī)制的特征。相比之下，橫向庫倫拖曳表現(xiàn)出磁化強(qiáng)度依賴關(guān)系，并與縱向庫倫拖曳密切相關(guān)（圖1）。

圖1：縱向和橫向庫倫拖曳的非互易性。（a—e）不同的縱向庫倫拖曳測量電路配置。（f—j）樣品溫度為20mK的縱向庫倫拖曳電壓。（k—m）不同的橫向庫倫拖曳測量電路配置。（n—p）樣品溫度為20mK的橫向庫倫拖曳電壓

通過擬合縱向庫倫拖曳電壓與驅(qū)動電流的伏安特性曲線，可以確定介觀漲落在陳絕緣體的庫倫拖曳中占據(jù)主導(dǎo)地位。在電流較大時，量子散粒噪聲和電流積累量也可能對庫倫拖曳有貢獻(xiàn)，導(dǎo)致伏安特性曲線顯示出一定的非線性。庫倫拖曳電阻隨溫度變化的冪律關(guān)系，進(jìn)一步確認(rèn)了對介觀漲落整流的機(jī)制。在靠近矯頑磁場的區(qū)間內(nèi)，陳絕緣體處于多磁疇狀態(tài)，這些磁疇周圍存在手性邊緣態(tài)組成的復(fù)雜電導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，磁漲落顯著增強(qiáng)，此時庫倫拖曳電阻擁有最大的漲落，這一磁漲落隨著溫度升高而逐漸減?。▓D2），具有介觀特性?？梢姡瑤靷愅弦沸盘柕漠a(chǎn)生總是伴隨著陳絕緣體中強(qiáng)烈的磁漲落，這一緊密聯(lián)系揭示了磁動力學(xué)在陳絕緣體間產(chǎn)生庫倫拖曳的重要作用。這一研究工作填補(bǔ)了磁性拓?fù)潴w系庫倫拖曳研究的空白，不僅為研究庫倫拖曳非互易性提供了新的范例，更進(jìn)一步為新奇拓?fù)淞孔討B(tài)的探測奠定了實驗基礎(chǔ)。

圖2：陳絕緣體庫倫拖曳的產(chǎn)生機(jī)制。（a）在20mK測量的伏安特性曲線及三次多項式函數(shù)擬合。（b）手性和非手性邊緣通道電荷輸運(yùn)不平衡示意圖。紅色和藍(lán)色區(qū)域代表磁化方向相反的磁疇，紅藍(lán)區(qū)域面積近似相等。紅色和藍(lán)色粗實線表示手性和非手性邊緣通道，藍(lán)色通道多于紅色。（c）庫倫拖曳電阻隨溫度變化關(guān)系。（d）不同樣品溫度下，庫倫拖曳電阻的磁漲落

北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心2020級博士研究生傅煜為論文第一作者，何慶林為論文通訊作者。上述研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）等項目的支持。