刘阳、林熙课题组利用声表面波研究二维电子系统取得重要进展
北京大学物理学院量子材料科学中心（以下简称“中心”）刘阳助理教授课题组和林熙教授课题组合作利用声表面波技术和电声子耦合对二维电子系统中的量子相进行了研究。历时四年，他们取得多项发现，其结果分别以“利用表面声波探测超高迁移率二维电子系统中的量子相”（Probing Quantum Phases in Ultra-High-Mobility Two-Dimensional Electron Systems Using Surface Acoustic Waves）和“声表面波与量子霍尔效应的相互作用”（The Interaction between Surface Acoustic Wave and Quantum Hall Effects）为标题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）和《中国物理快报》（Chinese Physics Letters,），并入选《物理评论快报》编辑推荐（editor’s suggestion）和《中国物理快报》（express letter）。
声表面波是一种在材料表面传播的特殊声波模式，可以利用叉指电极进行激励和探测。由于GaAs具有压电性，声表面波会诱导出一个与其同步的压电电场，并藉由该电场与二维电子气进行耦合。通过观测声表面波速度和衰减系数的变化，我们可以探究二维电子系统量子相的变化。该方法是一种无需接触电极的输运测量技术，其结果反映体态的平均性质。
中心博士研究生刘萧探索和确定了声表面波器件的微纳加工工艺，在超高迁移率GaAs/AlGaAs样品上成功制备出毫米尺度微米周期的叉指换能器。中心博士研究生吴蒙蒙研发了一套极低温下声表面波测量系统，她在稀释制冷机中安装了低损耗高隔离度的高频测量线路，设计搭建了高灵敏度射频锁相放大器以实现微弱信号的精确分析。她们在实验中使用了比以往报道低若干数量级的声波功率并取得更高的分辨率。此时声波在电子系统中诱导的扰动已经显著小于输运电流的干扰和温度涨落。
研究团队在实验中发现当前的电声子耦合弛豫模型不适用于强关联体系。该模型预测在不可压缩的量子霍尔态上，声表面波波速增大和声表面波的衰减系数应趋向零。与该预测不同，研究团队观察到当声波幅度足够低时，声表面波波速随量子霍尔效应增强而单调增加，其衰减也异常增加。实验发现声速响应和体系中的电流密度存在线性依赖，其斜率被定义为η。100 nA电流在流过尺寸约为1 mm的样品时会导致0.1 ppm左右声波声速的增加。这一结果表明电子系统在承载电流时变得更加的不可压缩。这一发现对传统理论模型提出了挑战，填补了对于载流子输运机制方面的认识空白，有望推动相关研究的进一步发展。
图1 (a) 纵向电阻Rxx和霍尔电阻Rxy随垂直磁场B的变化。(b) 声表面波声速变化。在测量过程中，周期为0.125 Hz，峰值为707 nA的交流电流流过样品，在η上产生4 s周期的振荡，红色框内展示了局部放大图。(c) 电流引起的声波声速变化κ。插图:振荡的功率谱密度。
林熙和刘阳为论文通讯作者。GaAs/AlGaAs样品分别由中心杜瑞瑞教授课题组和普林斯顿大学电子和计算机工程系Loren Pfeiffer教授课题组提供。此研究工作得到了科技部重点研发项目和国家自然科学基金等项目的支持。
文章链接：
https://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/41/4/047301
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.076501