量子霍尔双层系统中的边界态隧穿


在量子霍尔系统中,电流被限定在了空间上分割开来的向前和向后运动的“车道”上,这实现了无背散射的输运。如果人为将这两条逆向的轨道在某一点靠近,那么前行道上的粒子就有可能隧穿到靠近的逆行道上。这一过程等效实现了“固体宇宙”中的粒子对撞,所以该实验系统被形象地称为微型粒子对撞机(如图1所示)。人们可以利用它来研究低维凝聚态系统中的准粒子,得到诸如分数化的电荷以及任意子统计分布等有别于三维系统的奇特物理信息。一直以来,对撞实验只局限于单个量子阱或异质结上,未曾涉及双量子阱系统。而后者具有以1/2+1/2为代表的分数量子霍尔态,表现出激子的玻色-爱因斯坦凝聚等奇异量子现象。研究该量子态的粒子对撞有望揭示更加深刻的物理行为。此外,近年来有理论预言称量子霍尔双层系统中的边界态—前文所述的“车道”—可以用来制备拓扑量子比特。因此,实现这类系统的边界态调控变得更为迫切。

早在德国攻读博士期间,张定就对双量子阱系统开展了一系列的实验。随着工作的深入,他萌发了在双量子阱系统上制作微型对撞机的想法。入职清华以后,他与德国研究组继续合作,通过不懈努力,实现了双量子阱系统中的微型对撞机,测量了1/2+1/2量子霍尔态中的准粒子隧穿,并定量给出了参与碰撞的准粒子的分数电荷,揭示了边界准粒子与体态中的激子的相互作用。这项工作表明量子霍尔双层系统仍是富有生命力的研究对象,而且也为进一步操控其边界态从而获得拓扑量子比特打下了基础。相关工作发表在2020年6月19日的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。


微型粒子对撞机示意图。左上插图标示出了前行(红色)与逆行(蓝色)轨道上的粒子在最近邻的位置时发生“碰撞”。


清华大学物理系张定副教授为文章第一作者,他与德国马克斯普朗克固态研究所的Jurgen Smet研究员为通讯作者。合作者还包括德国马普所的Joseph Falson博士、Stefan Schmult博士和Werner Dietsche教授。该工作得到了国家自然科学基金的支持。

全文链接(开放获取):https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.246801