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发现二维单层半导体接近理想的分数量子霍尔平台

来源:互联网添加时间:2020/07/24 点击:

哥伦比亚大学的研究人员报告说,他们首次在单层二维半导体中观察到一种称为分数量子霍尔状态(英语:fractional quantum Hall states,简称:FQHS)的量子流体,这是物质中最微妙的相之一。他们的发现证明了二维半导体的出色内在质量,并将是为量子计算未来应用的独特测试平台。该最新研究成果论文发表在今天的《自然-纳米技术》上。

分数量子霍尔效应指一种物理现象,二维电子气体的霍尔传导率在e^2/h分数值时会出现准确量子化的平线区。它是一种集体态的特性,在这种集体态里,电子把磁通量线束缚在一起,形成新的准粒子、有着分数化基本电荷的新激发态,并且有可能出现分数统计。1998年的诺贝尔物理学奖就是因着对分数量子霍尔效应的发现与解释而授予罗伯特·劳夫林、霍斯特·施特默和崔琦三人。然而,劳夫林的解释只是一个唯象性的猜测,而且只适用于ν=1/m(其中m为奇整数)。分数量子霍尔效应的微观起源仍然是一个谜,因此它是现时凝聚态物理学的主要研究课题。

分数量子霍尔状态是一种集体现象,是当研究人员将电子限制在薄的二维平面内移动并使它们受到大磁场作用时发生的。分数量子霍尔效应于1982年首次发现,已经研究了40多年,但仍然存在许多基本问题。原因之一是状态非常脆弱,仅在最纯粹的材料中出现。

哥伦比亚大学物理学教授、科里·迪恩(Cory Dean)说:“我们在二维半导体中观察到这种状态感到非常惊讶,因为通常认为它们太灰暗无序以致无法产生这种效应。” “此外,我们实验中的分数量子霍尔状态序列揭示了我们从未见过的意外和有趣的新行为,并且实际上表明二维半导体是进一步研究分数量子霍尔状态的理想平台。”

如图所示发现半导体是分数量子霍尔态的理想平台——一种在大垂直磁场下出现的量子液体。该图像说明了单层WSe2承载着“复合费米子”,这是一种由于电子之间的强相互作用而形成的准粒子,它负责分数量子霍尔态的序列。

哥伦比亚工程学院机械工程学教授Jim Hone指出:“因此,观察分数量子霍尔状态通常被视为二维材料的重要里程碑,只有最纯洁的电子系统才能达到这一标准。”

尽管石墨烯是最著名的二维材料,但在过去的10年中已经发现了大量类似的材料,所有这些材料都可以剥落至单层厚度。这些材料中的一类是过渡金属二族化物(transition metal dichalcogenides,简称:TMD),例如二硒化钨(WSe2),这是这项新研究中使用的材料。像石墨烯一样,它们可以被剥成原子厚度,但是,与石墨烯不同,它们在磁场下的特性要简单得多。挑战在于TMD的晶体质量不是很好。

迪恩说:“自从TMD出现在舞台上以来,就一直认为它是一种有很多缺陷的混乱材料。”他的团队对TMD的质量进行了重大改进,将其推向了接近石墨烯的质量,这种通常认为二维材料的最终纯度标准。

除了样品质量之外,由于难以形成良好的电接触,也阻碍了半导体二维材料的研究。为解决这个问题,研究人员还开发了通过电容来测量电子性能的功能,而不是通过传统的电流和电阻的测量方法。该技术的主要优点是,测量对不良的电接触和材料中的杂质都不太敏感。这项新研究的测量是在国家高磁场实验室的非常大的磁场下进行的,这有助于稳定分数量子霍尔状态。

该论文第一作者、博士后中国学者、时千惠(Qianhui Shi)说:“这表征我们观察到的分数量子霍尔状态的分数-粒子与磁通量之比遵循一个非常简单的序列。” “简单的顺序与一般的理论期望是一致的,但是所有以前的系统都表现出更加复杂和不规则的行为。这告诉我们,我们终于有了一个几乎理想的分数量子霍尔状态研究平台,可以将实验与简单模型直接进行比较。”

迪恩说,“观察分数量子霍尔效应本身就令人惊讶,看到这些器件中的偶数分母状态确实令人惊讶,因为以前只有在最好的最佳器件中才观察到这种状态,”

自从1980年代末首次发现以来,偶数分母的分数态就受到了特别的关注,因为它们被认为代表着一种新型的粒子,其量子性质不同于宇宙中任何其他已知粒子。利兹大学理论物理教授Zlatko Papic指出:“这些奇异粒子的独特性质,可用于设计受多种错误保护的量子计算机。”

参考:Qianhui Shi et al. Odd- and even-denominator fractional quantum Hall states in monolayer WSe2, Nature Nanotechnology (2020). DOI: 10.1038/s41565-020-0685-6