電子-電子相互作用、量子干涉和無(wú)序?qū)斶\(yùn)性質(zhì)的影響是凝聚態(tài)物理研究的一個(gè)重要主題。量子干涉的一階效應(yīng)包括被廣泛研究的弱局域化(weak localization)和反弱局域化(weak antilocalization)效應(yīng)，分別對(duì)應(yīng)于正交對(duì)稱性(orthogonal symmetry)和辛對(duì)稱性(symplectic symmetry)的體系。2004年Minkov等發(fā)現(xiàn)，對(duì)于前者，比如無(wú)序足夠強(qiáng)的弱自旋軌道耦合半導(dǎo)體，電子-電子相互作用和量子干涉效應(yīng)產(chǎn)生的二階量子修正可強(qiáng)烈地抑制磁電導(dǎo)。然而，對(duì)于具有辛對(duì)稱性的電子系統(tǒng)，如拓?fù)浣^緣體、外爾半金屬及強(qiáng)自旋軌道耦合半導(dǎo)體，尚無(wú)工作研究二階或更高階量子效應(yīng)如何影響磁電導(dǎo)。

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圖1 拓?fù)浣^緣體表面態(tài)磁電導(dǎo)的量子修正。(a, b)雙柵調(diào)控拓?fù)浣^緣體(Bi,Sb)2(Te,Se)3器件的側(cè)面示意圖及光學(xué)俯視圖像；(c)縱向電阻Rxx?隨頂柵電壓(VTG)和底柵電壓(VBG?)的變化；(d)不同柵壓下的代表性磁電導(dǎo)曲線。(e)根據(jù)HLN公式擬合得到的前置因子α隨柵壓的變化，黑色虛線表示費(fèi)米能級(jí)接近狄拉克點(diǎn); (f)當(dāng)費(fèi)米能級(jí)接近電荷中心點(diǎn)時(shí)，無(wú)序?qū)е聵悠穬?nèi)部空穴液團(tuán)(hole puddles)的生成。摘自Shiet al., Nat. Commun.?14, 2596 (2023).

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室/應(yīng)用物理中心李永慶研究員指導(dǎo)的博士生史剛、高凡、張仁聰以及光物理實(shí)驗(yàn)室的李治林副研究員與以色列巴伊蘭大學(xué)的Dmitri Gutman教授及德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)的Igor Gornyi研究員合作，對(duì)這一問(wèn)題開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)和理論研究。他們利用雙柵調(diào)控的高質(zhì)量三維拓?fù)浣^緣體(Bi,Sb)2(Te,Se)3單晶薄片開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。在這種器件中，電子輸運(yùn)性質(zhì)由化學(xué)勢(shì)可大范圍調(diào)控的表面態(tài)狄拉克費(fèi)米子主導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)載流子濃度降低時(shí)，磁電導(dǎo)幅度逐漸增強(qiáng)，并在費(fèi)米能級(jí)接近狄拉克點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大值，這與正交對(duì)稱系統(tǒng)中磁電導(dǎo)隨無(wú)序增強(qiáng)被逐漸減弱形成鮮明對(duì)比。

理論分析表明，這一現(xiàn)象可歸結(jié)為電子-電子相互作用及二階量子干涉效應(yīng)導(dǎo)致的磁電導(dǎo)增強(qiáng)。研究還表明，盡管拓?fù)浣^緣體表面態(tài)中存在退相干長(zhǎng)度、平均自由程、熱長(zhǎng)度和磁長(zhǎng)度等多個(gè)尺度的相互競(jìng)爭(zhēng)，其低場(chǎng)磁電導(dǎo)可以使用推廣的Hikami-Larkin-Nagaoka (HLN)公式描述，詳細(xì)的磁電導(dǎo)分析可以深化對(duì)拓?fù)浣^緣體中復(fù)雜電子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，包括局域電荷液團(tuán)產(chǎn)生的電子屏蔽效應(yīng)、退相干以及與電子-空穴不對(duì)稱性。該項(xiàng)工作發(fā)表于S. Shiet al., Nature Communications?14, 2596 (2023).

圖2 超薄拓?fù)浣^緣體中負(fù)磁電導(dǎo)的魯棒性研究。(a)厚度為 2 nm的 (Bi1-xSbx)2Te3薄膜在不同柵壓下的磁電導(dǎo)?？招膱D形為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)線為HLN擬合結(jié)果。(b)考慮長(zhǎng)程無(wú)序和二階量子修正后磁電導(dǎo)的數(shù)值模擬結(jié)果。(c)超薄(Bi1-xSbx)2Te3中費(fèi)米能級(jí)的調(diào)控以及長(zhǎng)程無(wú)序?qū)е碌幕瘜W(xué)勢(shì)漲落示意圖。(d)不同輸運(yùn)體系的前置因子α對(duì)1/g的依賴關(guān)系（g為無(wú)量綱電導(dǎo)），圖中WAL、WL和WI分別表示反弱局域化、弱局域化和弱絕緣體。摘自Niu et al., Phys. Rev. B?107,115112 (2023).

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上述研究進(jìn)展還為理解超薄三維拓?fù)浣^緣體的一個(gè)長(zhǎng)期令人困惑的輸運(yùn)問(wèn)題提供了契機(jī)。在三維拓?fù)浣^緣體的超薄膜中，上下表面的雜化會(huì)改變表面態(tài)電子的貝利相位。理論預(yù)言隨著薄膜厚度的減小，較厚樣品中出現(xiàn)的反弱局域化將過(guò)渡到超薄膜中的弱局域化，但迄今在實(shí)驗(yàn)中很難觀察到這一現(xiàn)象。納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室的博士生牛雪翻、劉宇新在滕靜副研究員和李永慶研究員的指導(dǎo)下，研究了分子束外延生長(zhǎng)的(Bi1-xSbx)2Te3的電子輸運(yùn)性質(zhì)，并可對(duì)薄膜的厚度、摻雜水平和化學(xué)勢(shì)等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

他們發(fā)現(xiàn)，在所有實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，垂直磁場(chǎng)中測(cè)量的樣品磁電導(dǎo)都保持負(fù)值，這說(shuō)明在這些超薄(Bi,Sb)2Te3薄膜中不存在理論預(yù)言的全局弱局域化。經(jīng)分析，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可通過(guò)樣品中存在的長(zhǎng)程無(wú)序以及電子-電子相互作用和量子干涉產(chǎn)生的二階量子修正進(jìn)行解釋。研究還表明，拓?fù)浣^緣體超薄膜中的輸運(yùn)性質(zhì)不僅與具有辛對(duì)稱性體系中的反弱局域化不同，而且與具有正交對(duì)稱性體系中出現(xiàn)的弱局域化或弱絕緣體態(tài)(weak insulator)迥異。該工作發(fā)表于X. F. Niuet al., Physical Review B?107, 115112 (2023).

該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)B類專項(xiàng)的支持。