北京大学取得「量子干涉效应」的重要进展

北京大学电子学院、碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室的张志勇、康宁课题组，与鸿之微科技有限责任公司王音团队和清华大学物理系姜开利课题组合作，在碳纳米管的量子相干输运研究方向取得进展：首次实现了内建电场调控的量子干涉效应，进一步在低磁场区域观察到法布里-珀罗（FP）干涉增强的AB效应。

5月17日，相关研究成果以《单壁碳纳米管p-n结中的栅控量子干涉效应》（“Gate-Controlled Quantum Interference Effects in a Clean Single-Wall Carbon Nanotube p-n Junction”）为题，在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。
作为一个理想的低维电子体系，碳纳米管具有独特的能带结构和高载流子平均自由程，在低温下呈现出优异的量子特性，为发展高性能的集成电路和固态量子器件展示了诱人前景。
在介观器件中，实现对量子干涉效应的深入理解和精确调控不仅有利于研究低维电子系统中的量子相干现象，还为研制新型纳电子器件和量子器件奠定基础。碳纳米管是由碳原子构成的管状一维晶体，为研究轴向磁场下的阿哈罗诺夫-玻姆（AB) 效应提供了理想的实验平台。但由于其超小的直径，在碳管中实现一个磁通量子需要超高的磁场（10nm直径需要约50T轴向磁场），这极大限制了实验的观测和研究。
早期的实验研究通过采用大管径的多层碳纳米管来降低磁通量子所需磁场，或通过在碳纳米管和电极界面形成的肖特基势垒，利用势垒隧穿来观察AB振荡，但都难于克服体系本征的无序性和固定隧穿势垒等困难，从而缺乏稳定可控手段来研究一维体系下的AB效应。2004年，Andreev理论上提出利用p-n结的特征结构，通过将Landau-Zener隧穿与AB效应结合，可能实现低场下对磁通调制量子干涉效应的观测（Phys. Rev. Lett.2007, 99, 247204），但由于器件的调控困难一直没有在实验上实现。

图1 基于单根碳纳米管构筑的双侧栅p-n结

图2 内建电场调制与法布里-珀罗干涉增强的AB磁导振荡
此次，研究团队通过构建在片的成对侧栅结构，实现了对单根碳纳米管p-n结强度的有效调控，获得了工作在弹道输运区间的高质量碳纳米管器件（图1）。实验通过将器件工作区间稳定在双栅谱中的p-n边界处，在沿着内建电场增强的方向上成功观察到了特征的非单调磁输运行为，与理论预言的图像一致（图2a-c）。通过低温不同倾角下磁输运的演化行为进一步证实了磁导的AB来源（图2b和图2d）。实验首次观察到这种非单调的磁输运行为在FP的共振区域得到了极大的增强（图2e），基于非平衡格林函数和密度泛函的计算方法进一步显示了共振调制的透射系数行为（图2f）。
该工作为一维电子体系中研究量子干涉效应，发展多场调控手段提供了新的方案。
北京大学电子学院博士研究生邓小松为第一作者，康宁和张志勇为共同通讯作者。此项工作得到了国家自然科学基金、科技部和北京大学微纳加工超净实验室的支持。

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