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研究背景

二維電子氣（2DEGs）是凝聚態(tài)物理中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，因其獨(dú)特的量子化現(xiàn)象和在拓?fù)淞孔硬牧现械臐撛趹?yīng)用而成為研究熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)的量子霍爾效應(yīng)（QHE）研究方法面臨著在識(shí)別拓?fù)淞孔硬牧蠒r(shí)的挑戰(zhàn)，尤其是在朗道風(fēng)扇圖中，常常會(huì)出現(xiàn)樣品依賴(lài)性或相互矛盾的結(jié)果，且常規(guī)的費(fèi)米學(xué)分析在處理多個(gè)平凡或非平凡費(fèi)米面時(shí)存在不確定性，無(wú)法準(zhǔn)確揭示量子相位的細(xì)微變化。這一問(wèn)題的存在使得拓?fù)洳牧系难芯吭诶碚撆c實(shí)驗(yàn)上均遇到瓶頸。

成果簡(jiǎn)介

為了解決這一問(wèn)題，浙江大學(xué)鄭毅、Chenqiang Hua課題組、中南大學(xué)夏慶林等人提出了拓?fù)滟M(fèi)米學(xué)（topo-Fermiology）方法，基于Onsager-Lifshitz-Roth量子化理論系統(tǒng)地探測(cè)費(fèi)米面幾何形態(tài)和拓?fù)鋷?shù)。該方法通過(guò)引入一階量子相位修正，能夠揭示量子化回旋軌道的拓?fù)涮匦?，并將量子相位?yán)格分為10類(lèi)，從而為確定拓?fù)鋷?shù)提供了全新的量子探針。這一理論的提出為拓?fù)淞孔硬牧系难芯刻峁┝诵碌乃悸泛头椒?。相關(guān)文章在《Science Advances》上發(fā)表題為“Topological Fermiology of gate-tunable Rashba electron gases”的最新論文。

在實(shí)際應(yīng)用中，研究人員利用少層黑砷場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的高遷移率Rashba 2DEGs，展示了拓?fù)滟M(fèi)米學(xué)理論的有效性。在極限量子極限下，Rashba帶的費(fèi)米面拓?fù)浔憩F(xiàn)為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)平臺(tái)，并通過(guò)調(diào)節(jié)Rashba自旋軌道耦合能量實(shí)現(xiàn)量子相位的劇烈變化，進(jìn)一步揭示了周期倍增和朗道能級(jí)交叉現(xiàn)象。這些研究結(jié)果為拓?fù)淞孔硬牧系奶綔y(cè)和應(yīng)用提供了新的理論依據(jù)。

研究亮點(diǎn)

1. 實(shí)驗(yàn)首次展示了基于拓?fù)滟M(fèi)米學(xué)理論的Rashba二維電子氣（2DEGs）在極限量子極限下的量子霍爾效應(yīng)（QHE）特性，揭示了通過(guò)門(mén)控調(diào)節(jié)Rashba自旋軌道耦合（SOC）來(lái)調(diào)控費(fèi)米面拓?fù)涞目赡苄浴?/span>

2. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)Rashba分裂能量和磁場(chǎng)，揭示了SdHO周期倍增現(xiàn)象和非周期性拍頻模式。這些結(jié)果表明，量子相位的精細(xì)調(diào)控能夠?qū)崿F(xiàn)從奇數(shù)填充因子到偶數(shù)填充因子整數(shù)量子霍爾效應(yīng)平臺(tái)的過(guò)渡。

3. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)分析磁場(chǎng)與Rashba SOC的競(jìng)爭(zhēng)，揭示了由自旋軌道耦合和Zeeman效應(yīng)相互作用控制的朗道能級(jí)交叉現(xiàn)象，為進(jìn)一步理解量子相位及其在拓?fù)淞孔硬牧现械膽?yīng)用提供了新的理論依據(jù)。

圖文解讀

圖1. 極限量子極限下bAs Rashba 2DEGs的整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和門(mén)控可調(diào)量子相。

圖2. 由柵壓（Vg）可調(diào)和磁場(chǎng)（B）依賴(lài)的量子相導(dǎo)致的SdHO非周期性拍頻模式。

圖3. 由B依賴(lài)的量子相修正控制的SdHO周期倍增現(xiàn)象。

圖4. bAs Rashba 2DEGs中由對(duì)稱(chēng)性強(qiáng)制的朗道能級(jí)（LL）交叉。

結(jié)論展望

本文的研究為拓?fù)滟M(fèi)米學(xué)理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了重要進(jìn)展，尤其是在bAs Rashba二維電子氣（2DEGs）系統(tǒng)中首次觀察到的異常整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（QHE）。

這一發(fā)現(xiàn)揭示了拓?fù)鋷ЫY(jié)構(gòu)在量子化現(xiàn)象中的深遠(yuǎn)影響，并為研究復(fù)雜量子物質(zhì)提供了新的視角。通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析，作者確定了bAs Rashba 2DEGs的內(nèi)外費(fèi)米面在QHE區(qū)間均為拓?fù)浞瞧椒驳?，這一發(fā)現(xiàn)突破了傳統(tǒng)的理解，表明自旋軌道耦合與量子相位修正在量子霍爾效應(yīng)中的關(guān)鍵作用。

更為重要的是，本文首次展示了具有門(mén)控可調(diào)性的Rashba 2DEGs在二維材料中的異常QHE，為探索與拓?fù)浣豢椀姆浅Ｒ?guī)量子化現(xiàn)象提供了新的平臺(tái)。此外，研究還提出了自旋-谷對(duì)稱(chēng)性在全奇數(shù)量子霍爾平臺(tái)中的獨(dú)特貢獻(xiàn)，為未來(lái)的量子材料設(shè)計(jì)和量子信息技術(shù)的發(fā)展提供了寶貴的啟示。這一研究不僅深化了我們對(duì)拓?fù)湮飸B(tài)的理解，也為未來(lái)在量子計(jì)算和量子傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)信息

Jie Hu et al. ,Topological Fermiology of gate-tunable Rashba electron gases.Sci. Adv.10,eadp8208(2024)

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/11/25/2d1a95187f/

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