文档介绍：项目名称:
极端条件下量子输运的研究和调控
首席科学家:
牛谦北京大学
起止年限:
依托部门:
教育部中国科学院
一、关键科学问题及研究内容
(一)、拟解决的关键科学问题
本项目的关键科学问题在于:如何突破现有实验条件在温度、空间与时间尺度、材料等方面的限制, 在更广泛的条件下实现具有量子相干性的输运过程, 发现新的量子输运现象,并发展相应精密测量技术及量子调控手段,为下一代的材料、器件、信息技术等提供物理基础。
图2演示了这个关键科学问题的内涵。深色的三角区域表示在现有条件下能够观察到量子输运的参数范围。本项目的关键科学问题归根结底就是要扩张这个三角区域,在更广泛的参数条件下实现量子输运,以深化我们对已有物理现象的理解,同时发现新现象,寻找新规律,在此基础上发展新概念。示意图中的三个箭头表示拓展量子输运区域的三个途径:指向左方的箭头表示将电子温度降得更低;指向下方的箭头表示在更小空间或更短的时间尺度上观测及控制量子输运行为;指向右上的箭头表示寻找具有更优量子相干特性的材料。基于以上分析,本项目可以从四个方面协同解决上述关键科学问题: 在温度方面,着重发展极低温电子冷却技术及相关测量手段,并以此为基础从实验上确认分数量子霍尔效应系统中5/2态的非阿贝尔性质,澄清强微波辐射下二维电子气零电阻效应的物理起源。
在空间尺度方面,发展和完善针对原子层厚度薄膜的各种微加工工艺和材料改性手段。在此基础上研究人工结构对超导薄膜位相涨落和阻挫的影响,以及石墨烯上各种人工结构对其量子输运性质的影响,实现对这些材料量子输运性质的调控。在时间尺度方面,着重发展具有时间分辨的量子输运测量技术,实现可进行超高时间分辨测量的扫描隧道显微镜。以此为基础研究表面上单个分子/纳米结构的各种超快量子输运过程,理解量子相干时间内的输运过程和动力学行为。
在优化材料相干特性方面,通过材料结构设计、外场等手段实现对各类半导体材料(如GaAs,InAs)中自旋-轨道耦合作用的有效控制,探索利用自旋-轨道耦合增强材料量子相干特性的途径。在此基础上发掘由自旋-轨道耦合导致的奇异量子输运性质。
(二)、主要研究内容
针对以上拟解决的关键科学问题,本项目将从四个方面围绕量子输运开展全面的研究。主要内容如下: 在极低温方面,本项目将搭建能够实现极低电子温度的实验平台,使得二维电子气中的电子温度能够尽量接近低温系统的最低温度,并发展能够精确测量样品电子温度和在极低电子温度下进行量子输运测量的方法。在此基础上,通过两种方法来探测偶数分母量子霍尔态的非阿贝尔特性:(i) 构建偶数分母量子霍尔效应态的量子点接触(QPC),通过测量隧穿伏安特性曲线和边缘态间的隧穿来探测这些态的非阿贝尔特性;(ii) 通过门电极来改变电子自旋和控制核自旋,测量偶数分母量子霍尔效应态的自旋驰豫,从而确定其电子自旋极化程度。同时,将利用这个平台,确定微波辐射下二维电子气的电流畴的存在性,结合理论澄清零电阻现象的物理起源,并在此基础上发展远离平衡态量子输运的普适理论。
在空间尺度方面,本项目将制备原子层厚度的金属薄膜和石墨烯材料,发展针对这些原子层厚度薄膜的各种微加工工艺和材料改性手段,实现对这些材料量子输运性质的调控。通过引入各种杂质和缺陷改变薄膜的无序度,研究其对薄膜局域化、超导、磁电阻等输运性质的影响;利用各种微加工或自组装方法在这些金属薄膜上加入各种空间调制(原子台阶、人工周期性结构),研究人工结构对超导薄膜位相涨落和阻挫的影响; 对石墨烯进行具有原子精度的可控各向异性刻蚀,测量不同石墨烯纳米结构的量子输运特性;控制石墨烯纳米结构的边缘生长,研究由边缘态导致的自旋极化现象。另外,在研究上述各类原子尺度微结构的量子输运性质时,我们将充分利用本项目发展的低温测量平台。在时间尺度上,着重发展具有超高时间分辨的量子输运测量技术。具体而言,就是发展扫描隧道显微术,使其与现代超短时测量技术兼容,从而实现超高时间分辨的扫描隧道显微术。利用这个新技术,在原子尺度上研究表面上单个分子/纳米结构的各种超快量子输运过程,如库仑阻塞、近藤效应、热电子驰豫等。同时,也从理论上开展超高时间内的输运动力学和瞬态量子输运的研究,以期发现一些新的奇特输运现象,与实验工作互相促进。在另外一方面,使用超快光谱,红外光谱等手段研究石墨烯中载流子的量子输运过程,提供飞秒时间分辨的输运和电声耦合等过程的物理图像;同时,自行研制搭建先进的飞秒时间分辨光电子谱和非线性光谱装臵,应用于测量电子运动和原子运动(分子振动)的演化过程。
在材料改性方面,侧重研究微结构(如界面)、应变、电场、辐射场、晶向等对半导体(如GaAs、InAs)中自旋-轨道耦合的调控作用,探索其物理机制,发展有效的调控