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半导体

2025-03-28

研究背景

随着半导体技术的发展，基于硅的金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(Si MOS FET) 和 GaAs/Alx Ga_1-x As异质结提供了实现二维电子系统的可能。简单说来，在非常纯净的半导体表面或界面上，电子在低温下表现得像在平面内运动的气体分子那样，形成通常所说的二维电子气(2DEG)。通常电子的动能远大于电子之间的库仑相互作用，但前者可以用一个垂直方向的强磁场来压制。特别是当磁场下电子的回旋运 动半径与电子间平均距离相当时，相互作用主导了电子的运动，分数量子霍尔态这种极端量子极限下的新物态就出现了。

在此，普林斯顿大学物理系Ali Yazdani院士团队在“Nature Physics”期刊上发表了题为“High-resolution tunnelling spectroscopy of fractional quantum Hall states”的最新论文。该团队展示了超清洁的伯纳尔堆叠双层石墨烯器件中的分数量子霍尔态的高分辨率扫描隧道显微镜（STM）和光谱学（STS）研究。光谱测量显示出尖锐的激发，这是电子分数化为准粒子束缚态时预测会出现的现象。

作者发现，对于候选的非阿贝尔分数态，其能隙比其他相关系统（例如半导体异质结构）大五倍，这表明双层石墨烯是操作这些准粒子并创建拓扑量子比特的理想平台。作者还在非常干净的石墨烯样品中发现了先前未观察到的分数态。

研究亮点

实验首次观察到分数量子霍尔态，得到了清晰的隧道谱和高分辨率的原子波函数成像。通过扫描隧道显微镜（STM）和扫描隧道谱（STS）技术，研究人员首次在超净的伯纳尔堆叠双层石墨烯中观察到分数量子霍尔态，并展示了这些态中的激发和能量间隙。

实验通过STM技术，揭示了分数量子霍尔态中的非阿贝尔分数子态，得到了能量间隙比其他系统大五倍的候选非阿贝尔分数量子霍尔态。通过测量高能激发，发现了理论预测的锐峰，进一步证实了这些分数激发为复合态，这为操控这些分数激发和实现拓扑量子比特提供了理想平台。

实验通过对双层石墨烯的局部探测，发现了新的分数量子霍尔态，这些态在非常洁净的石墨烯样品中得到了观察。通过高分辨率的STM和STS，研究人员能够探测到与电子态或孔态有强重叠的复合激发，验证了理论计算的正确性。

实验结果显示，双层石墨烯是理想的拓扑量子比特平台，具有大能隙和高能态的特点，使其在非阿贝尔分数子态的研究中具有优势。通过STM的原子级成像与光谱，研究人员能够有效地揭示样品中的缺陷及无序效应，提供了对分数量子霍尔态的深入理解，并为将来基于非阿贝尔子态的量子信息应用提供了理论依据。

图文解读

图1：实验设置和零场及低磁场下的隧道谱。

图2：在B = 10T下，N = 0和1 Landau能级下的原子波函数成像。

图3：N = 0 Landau能级下0 < ν < 1范围内的分数量子霍尔态。

图4：N = 1 Landau能级下−1 < ν < 0范围内的分数量子霍尔态。

图5：N = 2 Landau能级下4 < ν < 5范围内的分数量子霍尔态。

结论展望

本文的研究揭示了STM在探测分数量子霍尔（FQH）态中的重要应用，尤其是在超洁净双层石墨烯（BLG）平台上的应用。通过STM，研究者能够深入探测局部区域，避免了传统传输测量中对样品缺陷的敏感性，从而获得更精确的FQH能隙测量结果。这一优势不仅验证了超洁净BLG作为理想实验平台的潜力，也为FQH态的深入研究提供了新的视角。

此外，本文还发现了在N = 2 Landau能级中出现的偶分母FQH态，这一新发现为FQH态的研究开辟了新的方向，可能涉及到Moore–Read态或复合费米子配对态等更为复杂的拓扑量子态。这一成果为后续基于FQH态的拓扑量子计算和量子比特设计提供了理论基础和实验支持，特别是在无缺陷区域对FQH态进行局部操控的可能性，预示着量子计算领域的一大进展。整体而言，本文展示了超洁净BLG平台在FQH态研究及拓扑量子比特创造中的广泛应用前景。

原文详情

Hu, Y., Tsui, YC., He, M. et al. High-resolution tunnelling spectroscopy of fractional quantum Hall states. Nat. Phys. (2025).

https://doi.org/10.1038/s41567-025-02830-y