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研究動態
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朱增偉教授團隊在激子的玻色-愛因斯坦凝聚研究上取得重要進展
發布時間:2020-11-17

1116日,《美國科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences,PNAS)在線刊發了物理學院強磁場物理研究所朱增偉教授題為“石墨中激子的波色-愛因斯坦凝聚的臨界點”(Critical point for Bose-Einstein condensation of excitons in graphite)的論文。該成果由朱增偉教授與巴黎高等物理化工學院Kamran Behnia教授、法蘭西工學院Beno?t Fauqué研究員合作完成,朱增偉教授為論文通訊作者,物理學院博士生王金華為論文第一作者,博士生聶盼、博士后李小康以及左華坤工程師參與了相關工作。

二維電子氣在強磁場下的量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的發現,掀起了研究電子氣的熱潮,那么三維低載流子系統中含有的電子氣是否也存在相類似的奇異物理現象呢?根據理論預測,三維電子氣在強磁場下可能會進入(電荷/自旋)密度波態、激子絕緣體態和魏格納晶體態等物態。其中,激子絕緣體態是由諾貝爾獲得者Mott在上世紀60年代提出。而在實驗上,要觀測由庫侖屏蔽效應導致的半金屬體系中產生電子-空穴配對形成激子,并伴隨著能隙的打開形成玻色-愛因斯坦凝聚進入絕緣體態的現象非常困難,激子絕緣體態是一個尚未解決的關鍵科學問題。

該研究中,朱增偉教授團隊利用脈沖強磁場設施的輸運實驗平臺,克服脈沖強磁場下熱電測量困難,成功測量到石墨在60T強磁場下對相變敏感的橫向熱電效應——能斯特效應。通過該效應發現石墨在低溫(T=9.2K)和強磁場(B=47T)的臨界點會發生波色-愛因斯坦凝聚,從而進入激子絕緣體態。該成果表明石墨是迄今為止第一個利用強磁場實現激子絕緣體態的材料,并可以通過調節磁場實現凝聚強度的調控,為后續研究強關聯三維電子氣的行為提供了一條切實可行的道路。

石墨是典型的補償型半金屬材料,其載流子濃度在低溫下約為3×1018cm-3,約7.5T的磁場就能迫使整個系統進入量子極限,是研究強關聯電子系統的理想材料。研究表明,石墨在強磁場下有很多有趣的相變,朱增偉教授團隊的前期研究豐富了石墨在低溫強磁場下的相圖(Phys. Rev. X 9, 011058, 2019)。然而,石墨相圖背后的物理機制仍不清楚。


                                             

圖中為石墨在脈沖磁場場下的能斯特信號(左)和激子絕緣體凝聚的相圖(右)

此次,他們通過測量石墨在脈沖強磁場下的能斯特效應,發現在相變溫度之上,能斯特信號在磁場約為47T時出現一個拐點,該拐點處的信號幅值的變化符合L-K公式,證明此處的拐點即為朗道能級穿越費米面引起的量子振蕩,由此否定了此前提出的量子振蕩發生在53T的結論,并否定了可能的密度波態的猜測,為激子絕緣體態的猜想提供了更為直接有力的證據。另外,通過無相互作用的波色-愛因斯坦凝聚的模型計算,激子凝聚臨界溫度約為8K,與實驗數據9.2K相吻合,更加印證了石墨A相(T<9.2K~20T-53T的相)的本質為激子在低溫下發生了波色-愛因斯坦凝的理論。

值得一提的是,該實驗是國際上首次利用60T脈沖強磁場測量能斯特效應,彰顯了脈沖強磁場設施在輸運測量上的國際領先地位。與此同時,來,朱增偉教授團隊利用脈沖強磁場設施輸運實驗平臺的先進實驗技術和手段,深入開展半金屬在強磁場以及低溫下的輸運行為的研究,以我校為第一單位在《物理評論快報》(Physical Review Letters、《自然·通訊》(Nature Communications)、《物理評論X》(Physical Review X、《科學進展》(Science Advances)等國際權威期刊發表學術論文十余篇,一系列高水平成果產出也充分體現了脈沖強磁場設施在支撐前沿科學研究中的重要作用。

該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目支持。

論文連接:https://doi.org/10.1073/pnas.2012811117


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