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

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。

近日，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