量子中心新實驗進展：10μeV量級能帶變化的實驗觀測

多體量子系統在強相互作用下會呈現出豐富多彩的新規律。當粒子間庫倫勢能遠大于系統的其他能量時，我們無法再以微擾方式理解粒子間的互動。在特定條件下，多體系統通過粒子間的相互關聯将材料能帶結構的微小變化放大，從而産生實驗可觀測的宏觀變化。

半導體異質結中的二維自由載流子是研究多體現象的極佳載體。該體系具有極低的晶格缺陷，使得0.1mm的宏觀範圍内的電子具有可觀測的量子相幹性。在強磁場環境中，粒子的動能被壓縮到具有大量簡并的分立朗道能級中。這時該系統的哈密頓算符中僅僅包含了粒子間的庫倫相互作用。多體問題的複雜性瞬間呈現在我們眼前：具有相同哈密頓算符的自由電子系統可以自發地呈現出氣态、不同固态、不同液态、甚至激子态。

應力應變是調控材料特性的常用方法。壓力可以改變材料的晶格常數，從而改變材料的禁帶寬度、改變載流子的有效質量、調節導帶底在波矢空間的位置或者電子在不同能谷的分布。當前的角分辨光電子能譜（ARPES）實驗能夠分辨meV的能帶結構，而基于多體理論的第一性原理計算能夠達到0.1eV的精度。受限于分辨率，靜液壓對材料能帶的精細作用并不為我們所了解。靜液壓改變了材料的晶格常數，但是并不改變材料的空間對稱性、自旋屬性、或者角動量屬性，因而對物态調控有獨特的價值。

2015年，普渡大學的Csathy教授的實驗組首次報道了稀釋制冷溫區的靜液壓輸運測量（Nature Physics 12, 191）。這一實驗發現各向同性的靜液壓會引起GaAs/AlGaAs中的二維電子系統發生各向同性的分數量子霍爾态到各向異性的電荷密度波的相變。我們參考他的實驗技術路線，成功實現了電子溫度小于40 mK、壓力最高20 kbar的極低溫靜液壓測量環境。相比金剛石對頂砧技術，靜液壓技術盡管能獲得的壓力低，但是适用于大體積的樣品，也便于開展極低溫下的輸運測量。

利用這一技術，量子中心研究生黃可研究了靜液壓下的GaAs/AlGaAs異質結二維空穴系統。實驗觀測到，在各向同性的靜液壓誘導下，朗道能級填充系數3/2附近的分數量子霍爾态出現了自旋相變。通過對相變規律的分析，作者發現兩個由于自旋軌道耦合分裂的朗道能級在高壓作用下發生簡并，所以空穴具有不同自旋量子數的子能帶在靜液壓作用下發生了相應的微弱變化。該工作利用多體量子态相變研究靜液壓作用下材料物性發生的10μeV量級的微小變化，高于其他已有的實驗探測手段和計算方法。

該工作由beat365量子中心劉陽與林熙課題組合作完成，樣品由普林斯頓大學Pfeiffer組提供。文章發表于Physical Review Letters (https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.206602)。