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研究方向

给一片晶体通电,沿电流方向测电压,可以看电阻怎样随温度变化;把电压探针接到样品两侧,则可以研究霍尔响应。改变磁场、温度或照明条件,我们用这些读数追踪量子材料中的电子行为。

微纳器件的黑白扫描电镜图,右下方标尺为 3 微米。
实验室档案中的器件电镜图,标尺为 3 µm。

什么是介观物理?

从电镜图的标尺可以读出器件有多大。要判断其中的电子能否发生可观测的干涉,还需要另一个尺度:电子能在多长的距离上保留相位信息?这个距离会随温度改变。

实验问题与测量

强磁场中的量子输运

强磁场使电子进入最低朗道能级时,温差产生的电信号会怎样变化?在 ZrTe₅ 晶体的一端加热,沿温差方向和垂直于温差的方向都可以测到电压。

研究者根据温差和热电压求出热电系数,再结合电阻率求出横向热电导率 αₓᵧ。在固定温度、充分进入量子极限后,磁场继续增强,αₓᵧ 却近乎保持不变,形成平台。

二维材料光电子学

同一个探测器能探测多大范围的光波长?我们将 MoTe₂、石墨烯与 SnS₂ 层层堆叠成异质结,通过开关光源,测量光照引起的电流变化。

这个器件在室温下对 405 至 1550 纳米之间测试的多个波长都有响应。在 1550 纳米处,响应时间达到秒量级,比测试的较短波长慢得多。

薄层晶体中的超导

把晶体剥薄后,超导转变会在什么温度开始?我们比较不同厚度 MoTe₂ 薄片的电阻随温度变化的曲线,寻找降温过程中电阻急剧下降的位置。

在一片 4 纳米厚的样品中,降温到 5.3 K 时,电阻降至它在 10 K 时的 90%。论文按这一判据报告转变起始温度;受装置最低温度限制,实验未测到完整的零电阻状态。

器件制备与实验测量

少层 ZrTe₅ 在加工中容易退化。团队参与的一项研究把薄片转移到预先埋入六方氮化硼的金属电极上,让脆弱的晶体接入测量电路,同时减少制备对样品的损伤。

研究者改变磁场,同时测量沿电流方向和横向的电压。换算成电导率后,可以看到纵向曲线中的谷值和霍尔曲线上逐渐形成的平台。这是薄片中整数量子霍尔效应的实验特征。