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物理所等發(fā)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體電子退相干新機(jī)制

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物理所等發(fā)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體電子退相干新機(jī)制

摘要: 　　固態(tài)系統(tǒng)的量子輸運(yùn)性質(zhì)與電子的波動(dòng)性密切相關(guān)。在低溫下，電子波能在很長(zhǎng)距離上保持相干性，波的干涉帶來(lái)了豐富多彩的介觀物理效應(yīng)，如Aharonov-Bohm效應(yīng)、Altshuler-Aronov-Spivak效應(yīng)、普適電導(dǎo)漲落和弱局域 ...

　　固態(tài)系統(tǒng)的量子輸運(yùn)性質(zhì)與電子的波動(dòng)性密切相關(guān)。在低溫下，電子波能在很長(zhǎng)距離上保持相干性，波的干涉帶來(lái)了豐富多彩的介觀物理效應(yīng)，如Aharonov-Bohm效應(yīng)、Altshuler-Aronov-Spivak效應(yīng)、普適電導(dǎo)漲落和弱局域化效應(yīng)等。學(xué)習(xí)材料中的電子的退相干機(jī)制不僅有助于深入理解量子輸運(yùn)性質(zhì)，而且對(duì)利用波的干涉性質(zhì)探索新奇準(zhǔn)粒子和進(jìn)一步進(jìn)行量子信息處理也至關(guān)重要。
　　三維拓?fù)浣^緣體（以下簡(jiǎn)稱(chēng)拓?fù)浣^緣體）是在2008年才被實(shí)驗(yàn)確認(rèn)的一類(lèi)重要的拓?fù)淞孔硬牧�。因其體能帶的拓?fù)湫再|(zhì)，拓?fù)浣^緣體的表面上存在著受對(duì)稱(chēng)性保護(hù)的無(wú)能隙電子態(tài)。表面態(tài)電子構(gòu)成了一個(gè)螺旋性二維狄拉克電子系統(tǒng)，其自旋和動(dòng)量方向保持鎖定關(guān)系。這種獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致拓?fù)浣^緣體表面態(tài)具有許多有趣的量子輸運(yùn)性質(zhì)，并引起了世界范圍的廣泛學(xué)習(xí)興趣。盡管已有大量實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，但由于樣品質(zhì)量和測(cè)量等多種原因，不同實(shí)驗(yàn)小組在退相干方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不盡相同，這導(dǎo)致人們還不能對(duì)拓?fù)浣^緣體表面態(tài)電子的退相干機(jī)制形成定論。
　　最近，中國(guó)科學(xué)院物理學(xué)習(xí)所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）納米物理與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的李永慶學(xué)習(xí)組利用在拓?fù)浣^緣體薄膜生長(zhǎng)、器件制備、柵壓調(diào)控和量子輸運(yùn)學(xué)習(xí)方面的多年實(shí)驗(yàn)積累【PRL 105， 176602 (2010); PRB 83， 241304(R) (2011); PRB 88， 041307 (R) (2013); PRL 114， 216601 (2015)】，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了三維拓?fù)浣^緣體中的電子退相干現(xiàn)象。該小組使用具有頂柵和底柵的器件，同時(shí)把(Bi，Sb)2Te3薄膜上下表面的費(fèi)米能級(jí)從體能帶調(diào)到帶隙之中，并能跨過(guò)狄拉克點(diǎn)。在這種雙柵器件中，不僅能夠連續(xù)調(diào)節(jié)體電導(dǎo)的大小，并能實(shí)現(xiàn)上下表面脫離耦合的量子擴(kuò)散輸運(yùn)。他們利用反弱局域效應(yīng)帶來(lái)的負(fù)磁電導(dǎo)，測(cè)量了不同柵壓、溫度和薄膜厚度的電子退相干速率，并觀察到當(dāng)薄膜的體態(tài)導(dǎo)電時(shí)，電子退相干速率對(duì)溫度有線性依賴(lài)關(guān)系，這與傳統(tǒng)二維電子系統(tǒng)中由電子-電子相互作用導(dǎo)致的Nyquist退相干機(jī)制相符合。該小組還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)體態(tài)較為絕緣并且表面態(tài)輸運(yùn)占主導(dǎo)時(shí)，電子退相干速率呈現(xiàn)出亞線性的溫度冪次依賴(lài)關(guān)系，即\(τ _{-1}^{\phi }\propto T^{p}，p=0.45-0.60\)。為了解釋這種反常的溫度依賴(lài)關(guān)系，他們提出了拓?fù)浣^緣體表面態(tài)電子退相干的一個(gè)新機(jī)制：即在補(bǔ)償摻雜的拓?fù)浣^緣體中，由于體能隙較小，會(huì)形成納米尺度的電子和空穴液團(tuán)，電子在這些電荷液團(tuán)間的非彈性散射過(guò)程不僅造成了低溫下占主導(dǎo)的變程躍遷，并且會(huì)大大縮短電子的位相相干長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的亞線性溫度依賴(lài)關(guān)系可以通過(guò)表面態(tài)電子與這些局域化的電荷液團(tuán)之間的耦合加以解釋。
　　這個(gè)工作的實(shí)驗(yàn)局部由中科院物理所和清華大學(xué)物理系/低維物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的薛其坤-馬旭村-何珂學(xué)習(xí)組合作完成，該組的博士歐云波生長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)所需拓?fù)浣^緣體單晶薄膜，中科院物理所博士生廖劍承擔(dān)了器件制備和電子輸運(yùn)測(cè)量工作。北京師范大學(xué)博士劉海文參與了理論解釋。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)61425015， 11374337， 11325421， 11674028  91121003）、科技部國(guó)家重大基礎(chǔ)學(xué)習(xí)(“973”)計(jì)劃（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)2015CB921102， 2015CB921001  2012CB921703）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)2016YFA0300600）和中科院先導(dǎo)B類(lèi)專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。這一成果近期在線發(fā)表于自然-通訊（J. Liao， Y. B. Ou， H. W. Liu， K. He， X. C. Ma， Q.-K. Xue， and Y. Q. Li， Nature Communications 8， 16071 (2017)）。



　　圖1: 拓?fù)浣^緣體化學(xué)勢(shì)和輸運(yùn)性質(zhì)的雙柵調(diào)控。左圖為縱向電阻率(上)和霍爾系數(shù)(下)隨頂柵電壓(VT)和低柵(電壓VB)的變化情況。右圖為一定頂柵電壓下二者對(duì)低柵電壓的依賴(lài)關(guān)系。電阻極大值和霍爾系數(shù)變號(hào)近似地對(duì)應(yīng)于費(fèi)米能級(jí)穿過(guò)狄拉克點(diǎn)。柵壓調(diào)控可以把樣品從體態(tài)導(dǎo)電（內(nèi)嵌左圖）調(diào)節(jié)到表面態(tài)輸運(yùn)占主導(dǎo)(內(nèi)嵌右圖)。



　　圖2: 拓?fù)浣^緣體電子退相干速率隨溫度的變化關(guān)系及微觀機(jī)制。上圖顯示：當(dāng)費(fèi)米能級(jí)處于體價(jià)帶之中時(shí)，退相干速率隨溫度線性變化（左）；當(dāng)費(fèi)米能級(jí)調(diào)至體帶隙之中時(shí)，退相干速率則呈現(xiàn)出亞線性的溫度依賴(lài)關(guān)系(右)；溫度范圍約為0.1~10 K。下圖展示在體態(tài)較絕緣的拓?fù)浣^緣體中電勢(shì)漲落導(dǎo)致的電子和空穴液團(tuán)(左)以及電子在這些電荷液團(tuán)之間的變程躍遷以及在表面態(tài)與這些局域體態(tài)之間的散射過(guò)程（右）。

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