北京大学物理学院刘阳、林熙课题组在量子霍尔态声波拖曳实验中取得进展

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心刘阳、林熙课题组博士研究生王任飞和刘萧等通过声子拖曳实验研究了量子霍尔效应中的电荷输运过程。相关研究成果以《量子霍尔平台内的异常声电流》（“Anomalous Acoustocurrent within Quantum Hall Plateaus”）为题，发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

利用分子束外延和调制掺杂技术制备的镓砷/铝镓砷的GaAs/AlGaAs半导体异质结界面处束缚的电子形成一个薄层。电子在垂直于界面方向的运动被势阱约束，而其平行于界面的运动仍然是自由的。这样的电子薄层被称为二维电子气。整数与分数量子霍尔效应是超高迁移率二维电子气在极低温强磁场中形成的一种特殊的宏观量子态。这时二维电子气形成一种特殊的具有超流特性的不可压缩液态相。在整数和分数填充因子两侧的带电准粒子（准空穴）被无序杂质能级束缚，因此体系绝缘并呈现出平台化的霍尔电导。

输运测量结果与不同声功率下的声子拖曳电流的实验结果

王任飞和刘萧通过声子拖曳实验研究量子霍尔效应中的电荷输运过程。实验利用叉指电极激励声表面波，并测量电子系统中由声波诱导出的电流变化。研究团队通过仔细分析发现了声波引起的电子散射效应，并有效分离声子拖曳电流和电子散射效应这两种同时发生的物理过程。研究团队发现量子霍尔效应平台内的声子拖曳电流在极弱声场下不再随声波功率线性降低。这时，团队成功观察到了平台内异常大的拖曳电流峰。这些电流峰的方向（极性）在严格的整数和分数填充因子两侧发生反转（如图），对应准粒子和准空穴具有相反极性的电荷，并与声子传播方向相关。该结果表明声子与平台内形成的准粒子/准空穴之间的相互作用异常强烈，且电流峰与边界态无关。这一电荷输运现象超出现有理论的解释范畴。该实验方法为操控量子霍尔态内准粒子的运动提供了新的实验手段。

该课题中，王任飞完成实验测量，刘萧完成实验样品的微纳加工。实验样品由普林斯顿大学Mansour Shayegan和Loren Pfeiffer提供。