近日，beat365官方网站量子材料科學中心何慶林課題組在陳絕緣體中觀察到了非互易庫倫拖曳現象。這一發現将庫倫拖曳的研究拓展到磁性拓撲系統，不僅為研究庫倫拖曳的非互易性提供了新的材料平台，還加深了對陳絕緣體中量子态及其相互作用的理解。2025年3月29日，相關工作以“陳絕緣體間非互易庫倫拖曳（Non-reciprocal Coulomb drag between Chern insulators）”為題，發表在學術期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。
近年來，何慶林課題組為實現拓撲超導、構建拓撲量子比特（Qubit）做了大量的前期工作，上述的論文正是這些工作中的一個階段性成果。尤其在材料制備上，該課題組做了大量的研究，并取得了鼓舞人心的成果。他們利用分子束外延制備了陳絕緣體并實現量子反常霍爾效應，深入研究了摻雜剖面對該效應的影響，探讨了限制其實現溫度的物理根源，該研究工作發表在Sci. Adv. 6 : eaaz3595 (2020)、Nat. Mater. 21, 15-23 (2022)。有理論指出，該材料中可能會因為滲流的存在而對拓撲超導的測量造成幹擾。為此，何慶林課題組專門設計了新的器件結構和實驗方案，詳細地研究了這種材料中滲流形成的内因和外因、分布、數量、以及如何在實驗中避免滲流的形成。這些研究結果彙總成兩篇長論文，發表在New J. Phys. 24, 083036 (2022)、New J. Phys. 25, 033003 (2023)。何慶林課題組還在分子束外延系統中搭建了掩模模塊，實現了“原位選區外延”這一重要的實驗手段，使其能在陳絕緣體上選擇性地外延具有特定花樣的超導體，這一成果為後續實現“原位制備拓撲Qubit”打下實驗基礎。利用該模塊，他們制成了磁性、非磁性拓撲絕緣體選區異質結，使這單一器件中同時集成了拓撲手性邊界态和表面态，實現了全拓撲、低耗散電子輸運，該成果發表在Commun. Phys. 6, 204 (2023)。利用該設備，他們還研究如何從實驗上實現拓撲超導體和馬約拉納費米子态。為此，他們通過界面控制，制備了多個陳絕緣體與超導體的異質結，最終觀察到了可能存在的拓撲超導、馬約拉納費米子一維态的信号特征，該成果發表在J. Phys.: Condens. Matter 36 (2024) 37LT01。上述的研究成果為未來實現拓撲Qubit打下了重要的材料基礎。
接下來，何慶林課題組聚焦于拓撲Qubit的器件制備。他們首次制備了基于量子反常霍爾效應的量子幹涉儀，并計劃将該幹涉儀應用于拓撲Qubit中。該幹涉儀基于手性邊界态之間的Aharonov–Bohm幹涉、庫倫作用，他們在實驗上首次觀察到手性邊界态的幹涉條紋，該工作發表在J. Appl. Phys. 133, 084401 (2023)。近日，該課題組為了探索如何讀取拓撲Qubit中的量子态，在陳絕緣體中設計、制備了新的器件結構，計劃利用庫倫相互作用和（或）量子電容效應，探測幹涉儀中的量子信息。研究表明，這一器件結構能成功利用庫倫拖曳、非接觸式地探測近鄰器件中的信号。這是制備拓撲Qubit的一個裡程碑，為實現拓撲量子計算向前邁出一大步。下面将詳細介紹這一工作。
庫倫拖曳是指在器件主動端施加驅動電流，可以通過庫倫相互作用在近鄰但絕緣隔離的被動端中産生拖曳電壓。在多數低維體系中，被動端載流子的動量來自主動端的動量損失，庫倫拖曳遵循昂薩格互易關系。但在某些系統中，主動端的量子漲落或噪聲也可以在被動端誘導載流子運動，而系統的電子空穴不對稱性則發揮整流作用，使被動端中電荷定向移動或積累。在這種情況下，拖曳信号的極性不再随驅動電流方向反轉而改變，将打破昂薩格關系，具有非互易性。然而，目前針對磁性體系庫倫拖曳的研究較為匮乏，磁動力學對庫倫拖曳的影響尚不明确。複雜的磁性結構可能為探索庫侖拖曳非互易性機制提供新的線索，研究陳絕緣體中庫倫拖曳的形成機制，還有助于促進對陳絕緣體中量子态及其相互作用的理解。
研究團隊使用生長在GaAs襯底上的V摻雜的(Bi, Sb)2Te3外延薄膜樣品，設計并制備了平行雙霍爾條器件，兩個霍爾條由一個真空絕緣狹縫分隔。當垂直于樣品表面掃描磁場時，在陳絕緣體發生平台轉變對應的磁場區間，可以觀察到顯著的庫倫拖曳信号。
在該器件中觀察到的縱向和橫向庫倫拖曳具有非互易性，均打破了昂薩格關系。研究發現，縱向庫倫拖曳電壓的極性不受驅動電流的方向和外加磁場的方向等因素影響，也不依賴于驅動和拖曳電路的選擇，但取決于不同的樣品和驅動電勢極性。無論驅動電流的方向如何，拖曳電路中電荷隻向特定方向積累，表現出整流機制的特征。相比之下，橫向庫倫拖曳表現出磁化強度依賴關系，并與縱向庫倫拖曳密切相關（圖1）。
圖1：縱向和橫向庫倫拖曳的非互易性。（a-e）不同的縱向庫倫拖曳測量電路配置。（f-j）樣品溫度為20 mK的縱向庫倫拖曳電壓。（k-m）不同的橫向庫倫拖曳測量電路配置。（n-p）樣品溫度為20 mK的橫向庫倫拖曳電壓。
通過拟合縱向庫倫拖曳電壓與驅動電流的伏安特性曲線，可以确定介觀漲落在陳絕緣體的庫倫拖曳中占據主導地位。在電流較大時，量子散粒噪聲和電流積累量也可能對庫倫拖曳有貢獻，導緻伏安特性曲線顯示出一定的非線性。庫倫拖曳電阻随溫度變化的幂律關系，進一步确認了對介觀漲落整流的機制。在靠近矯頑磁場的區間内，陳絕緣體處于多磁疇狀态，這些磁疇周圍存在手性邊緣态組成的複雜電導網絡，磁漲落顯著增強，此時庫倫拖曳電阻擁有最大的漲落，這一磁漲落随着溫度升高而逐漸減小（圖2），具有介觀特性。可見，庫倫拖曳信号的産生總是伴随着陳絕緣體中強烈的磁漲落，這一緊密聯系揭示了磁動力學在陳絕緣體間産生庫倫拖曳的重要作用。這一研究工作填補了磁性拓撲體系庫倫拖曳研究的空白，不僅為研究庫倫拖曳非互易性提供了新的範例，更進一步為新奇拓撲量子态的探測奠定了實驗基礎。
圖2：陳絕緣體庫倫拖曳的産生機制。（a）在20 mK測量的伏安特性曲線及三次多項式函數拟合。（b）手性和非手性邊緣通道電荷輸運不平衡示意圖。紅色和藍色區域代表磁化方向相反的磁疇，紅藍區域面積近似相等。紅色和藍色粗實線表示手性和非手性邊緣通道，藍色通道多于紅色。（c）庫倫拖曳電阻随溫度變化關系。（d）不同樣品溫度下，庫倫拖曳電阻的磁漲落。
beat365官方网站量子材料科學中心2020級博士研究生傅煜為論文第一作者，何慶林為論文通訊作者。上述研究工作得到國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）等項目的支持。
論文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58401-5
