日荷共同观测到电子的液态与固态的竞争

新技术 2018年11月22日
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日本理化学研究所、东京大学、荷兰拉德堡德大学组成的国际联合研究小组发现,代表性氧化物半导体氧化锌中的电子在强磁场中会显示出液体状态与固体状态混合的特殊性质。利用这项研究成果,可以通过纯粹的物理系统调查电子之间的强排斥力状态的变化,也有望为拓扑量子计算的实现开辟道路。

就像水等物质拥有气体、液体和固体三种状态一样,电子也存在相当于气体、液体和固体的状态。以缺陷和杂质极少的半导体二维电子为例,这种电子状态的变化可通过改变温度、外部磁场和电子密度并同时测量电阻观测到。另外,在强磁场中,电子会与2个磁通量子结合形成“复合粒子”,但此前一直不清楚这种复合粒子与电子的状态变化之间的关系。

此次的联合研究小组为缺陷和杂质较少的氧化锌薄膜中的电子加载强磁场,观测了二维电子相互排斥、由液体状态逐渐变为固体状态的情形。观察发现,在状态转变的过程中,存在“固体状态的电子与液体状态的复合粒子相互混合的状态”。据分析,这是因为氧化锌中的电子的有效质量约为普通半导体的5倍左右,所以电子相关性大大增强,从而出现这种混合状态的缘故。

相关研究论文于10月20日发表在英国在线科学期刊《自然通讯》(Nature Communications)上。

液体状态的复合粒子(2个磁通量子结合的电子)与固体状态的电子混合的状态

图1:液体状态的复合粒子(2个磁通量子结合的电子)与固体状态的电子混合的状态 氧化锌样品的照片和电阻测量

图2:氧化锌样品的照片和电阻测量

测量电阻的方法是,一边向样品垂直(垂直于纸面)加载磁场一边通过电流,用电压计测量电压。若I为电流值,V为测量电压,则电阻为R=V/I。

强磁场中的氧化锌样品的电阻

图3:强磁场中的氧化锌样品的电阻

文 客观日本编辑部

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