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近日，我校合肥微尺度物質科學國家研究中心國際功能材料量子設計中心和物理系中科院強耦合量子材料物理重點實驗室曾長淦教授、李林副研究員研究團隊與北京量子信息科學研究院解宏毅副研究員等合作，在二維電雙層結構層間長程耦合研究方面取得重要進展。通過構筑石墨烯與氧化物界面超導體系的復合結構，該團隊揭示了二維半金屬和二維超導體之間由于量子漲落誘導的巨幅超流拖拽效應。相關研究成果以“Josephson-Coulomb drag effect between graphene and a LaAlO3/SrTiO3 superconductor”為題于1月12日以Article形式在線發(fā)表在《Nature Physics》上（DOI: 10.1038/s41567-022-01902-7）。

對于兩個空間相近但彼此絕緣的導電層構成的電雙層結構，在其中一層（主動層）施加驅動電流，層間載流子之間的耦合會在另一層（被動層）中誘導產生一個開路電壓或閉路電流，即產生層間拖拽效應。拖拽效應可以探測掩蓋在界面處的載流子信息與可能的衍生物理，是表征新奇電子態(tài)的一種新型實驗手段。更重要的是，基于二維電子氣之間的拖拽效應，可以探索準粒子的層間長程相互作用，發(fā)現如激子超流體等新穎層間關聯量子態(tài)。對于常規(guī)的層間電子-電子相互作用，由于較強的介電屏蔽效應，被動層中產生的拖拽電流比主動層施加的驅動電流通常要弱幾個數量級，即拖拽電流耦合比遠遠小于1。而將其中一層或兩層替換成超導材料，將有望產生耦合比顯著增強的超流拖拽效應。

基于此設想，研究團隊構筑了石墨烯與LaAlO3/SrTiO3異質界面組成的二維半金屬-超導體電雙層結構，并對其層間拖拽行為進行了系統(tǒng)研究。在此電雙層體系中，石墨烯層的載流子濃度/類型，以及LaAlO3/SrTiO3界面超導特性都可以通過柵壓進行有效調控。研究團隊發(fā)現在LaAlO3/SrTiO3界面超導轉變區(qū)間，石墨烯層中施加驅動電流可以在LaAlO3/SrTiO3界面誘導出巨幅拖拽電流，且強度可以通過柵壓/外磁場等進行有效調控。特別是在界面超導最優(yōu)摻雜附近，拖拽電流耦合比達到0.3，即所產生的拖拽電流大小與驅動電流相當。與此前傳統(tǒng)普通金屬/超導金屬體系相比，耦合比提高了兩個量級以上。

基于二維狄拉克費米子與二維約瑟夫森陣列庫侖相互作用的理論模型，研究團隊將觀察到的巨幅超流拖拽效應歸因于LaAlO3/SrTiO3界面超導相位量子漲落與石墨烯中電子濃度漲落之間的動力學耦合，并提出一種新的約瑟夫森-庫倫拖拽機制。實驗所觀測到的拖拽信號極性，以及其隨溫度的演化規(guī)律均很好地符合該機制。在此基礎上，基于理論擬合外推，零溫極限下拖拽電流耦合比甚至高達105，即在被動層誘導的拖拽電流是主動層驅動電流的105倍，產生超常電流放大效應。這一結果成功揭示了宏觀量子漲落對于層間準粒子相互作用的顯著調制。在應用層面，基于該復合結構將有望制備新型電流或電壓高效轉換器件，包括超導二極管等量子器件。本發(fā)現也將推動具有豐富量子物相的更廣泛二維電子體系的拖拽效應研究，并發(fā)現更多基于層間長程耦合的新穎量子多體效應。

圖示：（a）石墨烯與LaAlO3/SrTiO3界面超導間約瑟夫森-庫侖拖拽效應示意圖；（b）拖拽效應測量原理；（c）拖拽電阻與LaAlO3/SrTiO3界面電阻隨溫度的變化；（d）LaAlO3/SrTiO3超導相圖；（e）拖拽電流耦合比對背柵和溫度的依賴關系。

我校物理系近期畢業(yè)的陶然博士和微尺度物質科學國家研究中心李林副研究員為論文共同第一作者。曾長淦教授、李林副研究員與北京量子信息科學研究院解宏毅副研究員為論文共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、中科院以及安徽省的資助。李林副研究員得到了中國科學技術大學仲英青年學者項目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01902-7

（合肥微尺度物質科學國家研究中心、物理學院、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）