何庆林课题组在陈绝缘体中发现非互易库伦拖曳现象
近日，北京大学物理学院量子材料科学中心何庆林课题组在陈绝缘体中观察到了非互易库伦拖曳现象。这一发现将库伦拖曳的研究拓展到磁性拓扑系统，不仅为研究库伦拖曳的非互易性提供了新的材料平台，还加深了对陈绝缘体中量子态及其相互作用的理解。2025年3月29日，相关工作以“陈绝缘体间非互易库伦拖曳（Non-reciprocal Coulomb drag between Chern insulators）”为题，发表在学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。
近年来，何庆林课题组为实现拓扑超导、构建拓扑量子比特（Qubit）做了大量的前期工作，上述的论文正是这些工作中的一个阶段性成果。尤其在材料制备上，该课题组做了大量的研究，并取得了鼓舞人心的成果。他们利用分子束外延制备了陈绝缘体并实现量子反常霍尔效应，深入研究了掺杂剖面对该效应的影响，探讨了限制其实现温度的物理根源，该研究工作发表在Sci. Adv. 6 : eaaz3595 (2020)、Nat. Mater. 21, 15-23 (2022)。有理论指出，该材料中可能会因为渗流的存在而对拓扑超导的测量造成干扰。为此，何庆林课题组专门设计了新的器件结构和实验方案，详细地研究了这种材料中渗流形成的内因和外因、分布、数量、以及如何在实验中避免渗流的形成。这些研究结果汇总成两篇长论文，发表在New J. Phys. 24, 083036 (2022)、New J. Phys. 25, 033003 (2023)。何庆林课题组还在分子束外延系统中搭建了掩模模块，实现了“原位选区外延”这一重要的实验手段，使其能在陈绝缘体上选择性地外延具有特定花样的超导体，这一成果为后续实现“原位制备拓扑Qubit”打下实验基础。利用该模块，他们制成了磁性、非磁性拓扑绝缘体选区异质结，使这单一器件中同时集成了拓扑手性边界态和表面态，实现了全拓扑、低耗散电子输运，该成果发表在Commun. Phys. 6, 204 (2023)。利用该设备，他们还研究如何从实验上实现拓扑超导体和马约拉纳费米子态。为此，他们通过界面控制，制备了多个陈绝缘体与超导体的异质结，最终观察到了可能存在的拓扑超导、马约拉纳费米子一维态的信号特征，该成果发表在J. Phys.: Condens. Matter 36 (2024) 37LT01。上述的研究成果为未来实现拓扑Qubit打下了重要的材料基础。
接下来，何庆林课题组聚焦于拓扑Qubit的器件制备。他们首次制备了基于量子反常霍尔效应的量子干涉仪，并计划将该干涉仪应用于拓扑Qubit中。该干涉仪基于手性边界态之间的Aharonov–Bohm干涉、库伦作用，他们在实验上首次观察到手性边界态的干涉条纹，该工作发表在J. Appl. Phys. 133, 084401 (2023)。近日，该课题组为了探索如何读取拓扑Qubit中的量子态，在陈绝缘体中设计、制备了新的器件结构，计划利用库伦相互作用和（或）量子电容效应，探测干涉仪中的量子信息。研究表明，这一器件结构能成功利用库伦拖曳、非接触式地探测近邻器件中的信号。这是制备拓扑Qubit的一个里程碑，为实现拓扑量子计算向前迈出一大步。下面将详细介绍这一工作。
库伦拖曳是指在器件主动端施加驱动电流，可以通过库伦相互作用在近邻但绝缘隔离的被动端中产生拖曳电压。在多数低维体系中，被动端载流子的动量来自主动端的动量损失，库伦拖曳遵循昂萨格互易关系。但在某些系统中，主动端的量子涨落或噪声也可以在被动端诱导载流子运动，而系统的电子空穴不对称性则发挥整流作用，使被动端中电荷定向移动或积累。在这种情况下，拖曳信号的极性不再随驱动电流方向反转而改变，将打破昂萨格关系，具有非互易性。然而，目前针对磁性体系库伦拖曳的研究较为匮乏，磁动力学对库伦拖曳的影响尚不明确。复杂的磁性结构可能为探索库仑拖曳非互易性机制提供新的线索，研究陈绝缘体中库伦拖曳的形成机制，还有助于促进对陈绝缘体中量子态及其相互作用的理解。
研究团队使用生长在GaAs衬底上的V掺杂的(Bi, Sb)2Te3外延薄膜样品，设计并制备了平行双霍尔条器件，两个霍尔条由一个真空绝缘狭缝分隔。当垂直于样品表面扫描磁场时，在陈绝缘体发生平台转变对应的磁场区间，可以观察到显著的库伦拖曳信号。
在该器件中观察到的纵向和横向库伦拖曳具有非互易性，均打破了昂萨格关系。研究发现，纵向库伦拖曳电压的极性不受驱动电流的方向和外加磁场的方向等因素影响，也不依赖于驱动和拖曳电路的选择，但取决于不同的样品和驱动电势极性。无论驱动电流的方向如何，拖曳电路中电荷只向特定方向积累，表现出整流机制的特征。相比之下，横向库伦拖曳表现出磁化强度依赖关系，并与纵向库伦拖曳密切相关（图1）。
图1：纵向和横向库伦拖曳的非互易性。（a-e）不同的纵向库伦拖曳测量电路配置。（f-j）样品温度为20 mK的纵向库伦拖曳电压。（k-m）不同的横向库伦拖曳测量电路配置。（n-p）样品温度为20 mK的横向库伦拖曳电压。
通过拟合纵向库伦拖曳电压与驱动电流的伏安特性曲线，可以确定介观涨落在陈绝缘体的库伦拖曳中占据主导地位。在电流较大时，量子散粒噪声和电流积累量也可能对库伦拖曳有贡献，导致伏安特性曲线显示出一定的非线性。库伦拖曳电阻随温度变化的幂律关系，进一步确认了对介观涨落整流的机制。在靠近矫顽磁场的区间内，陈绝缘体处于多磁畴状态，这些磁畴周围存在手性边缘态组成的复杂电导网络，磁涨落显著增强，此时库伦拖曳电阻拥有最大的涨落，这一磁涨落随着温度升高而逐渐减小（图2），具有介观特性。可见，库伦拖曳信号的产生总是伴随着陈绝缘体中强烈的磁涨落，这一紧密联系揭示了磁动力学在陈绝缘体间产生库伦拖曳的重要作用。这一研究工作填补了磁性拓扑体系库伦拖曳研究的空白，不仅为研究库伦拖曳非互易性提供了新的范例，更进一步为新奇拓扑量子态的探测奠定了实验基础。
图2：陈绝缘体库伦拖曳的产生机制。（a）在20 mK测量的伏安特性曲线及三次多项式函数拟合。（b）手性和非手性边缘通道电荷输运不平衡示意图。红色和蓝色区域代表磁化方向相反的磁畴，红蓝区域面积近似相等。红色和蓝色粗实线表示手性和非手性边缘通道，蓝色通道多于红色。（c）库伦拖曳电阻随温度变化关系。（d）不同样品温度下，库伦拖曳电阻的磁涨落。
北京大学物理学院量子材料科学中心2020级博士研究生傅煜为论文第一作者，何庆林为论文通讯作者。上述研究工作得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项（B类）等项目的支持。