中國科大在量子輸運、量子等離激元研究領域取得重要新進展
近期，合肥微尺度物質科學國家實驗室國際功能材料量子設計中心與中科院強耦合量子材料物理重點實驗室曾長淦教授研究組在低維量子輸運領域取得系列新進展，發現電子-等離激元耦合對石墨烯電子輸運過程中的量子相干性有極大的增強效應，並實現氧化物界面二維電子氣自旋軌道耦合的光學調控。相關研究成果相繼發表在權威期刊《Phys. Rev. Lett.》和《Nano Lett.》上。
在固體中運動的電子與不同準粒子（聲子、極化子等等）之間的多體耦合作用會導致一系列重要的物理效應。例如，電子-聲子相互作用可以使自旋相反的電子形成庫珀對從而引發超導。另一方面，等離激元是大量電子集體相干振蕩形成的準粒子。近年來等離激元的量子特性陸續被發現，例如，以往的實驗揭示量子糾纏在經歷了從光子到等離激元再到光子的轉化過程後仍然得以保持。一個核心問題是，等離激元是否會影響以及如何影響電子的量子輸運特性？該研究團隊與臺灣清華大學果尚志教授研究組、中國科大張振宇教授研究組等合作，對這一問題進行了深入探索。
該研究團隊製備了石墨烯與納米金顆粒陣列的複合體系，以雷射輻照來激發金顆粒的局域等離激元，再通過金顆粒與石墨烯之間的近場耦合激發石墨烯的等離激元。隨後以弱局域化量子輸運作為有效探針，發現激發等離激元能夠極大增強石墨烯電子的量子相干性，其量子相干長度甚至可以增加到原來的3倍。進一步，微觀唯象理論分析表明，電子-等離激元耦合能夠有效抑制破壞量子相干的非彈性散射，如圖1所示。這種電子-等離激元耦合對量子相干性的增益，為探索準粒子間相互作用從而實現非平庸量子效應和設計量子器件開闢了新的視野。該研究成果發表在《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett. 119, 156803 (2017)]，程廣琿博士、秦維博士和林孟賢博士為文章共同第一作者，曾長淦教授和魏來明特任副研為共同通訊作者。
該工作得到審稿人的高度評價：「我發現這一實驗非常有趣，富有創新性。這一主題屬於輸運、等離激元、非平衡物理、以及多體物理的交叉領域，因此毫無疑問值得在物理評論快報上發表（I find this experiment very interesting and innovative. The topic is at the crossroads of transport, plasmonics, non-equilibrium physics, and many-body physics, and thus definitely belongs to the Physical Review Letters）」。
圖1. 電子-等離激元耦合增強電子的量子相干性的原理示意圖
過渡金屬氧化物異質界面由於電荷、自旋、軌道和晶格等多自由度之間的複雜耦合展現出豐富的物理現象，例如磁性、超導、磁性和超導共存、以及Rashba自旋軌道耦合。自旋電子學以電子自旋作為信息載體，而Rashba自旋軌道耦合可以有效操控電子自旋，從而在自旋電子學中扮演重要角色。以往對界面二維電子氣Rashba自旋軌道耦合都是通過柵電壓來調控。
曾長淦教授研究組和中國科學院上海技術物理研究所俞國林研究員課題組合作，另闢蹊徑地通過可見光和紅外光輻照來調節費米面位置，進而有效調控基於SrTiO3界面（LaAlO3/SrTiO3和LaVO3/SrTiO3）二維電子氣的自旋軌道耦合強度。這種光場調控具有非接觸、非易失和可擦除等顯著優點。通過光調控甚至還實現了界面量子輸運從弱局域化到弱反局域化的轉變，即從電子的量子相長幹涉到量子相消幹涉的轉變，如圖2所示。這一研究成果為設計光控自旋器件以及探索光誘發非平庸量子態提供了新思路。該研究發表在《納米快報》上（Nano Lett. DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02128）。
圖2. 光輻照調控LaAlO3/SrTiO3界面弱局域化到弱反局域轉變的原理示意圖
上述研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、教育部、安徽省自然科學基金委以及量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。
論文連結：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.156803
http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b02128
(合肥微尺度物質科學國家實驗室國際功能材料量子設計中心、量子信息與量子科技前沿創新中心、科研部)