一维库仑拖曳中可调谐的互易与非互易贡献机制研究

研究人员针对一维量子线中库仑拖曳(Coulomb drag)的互易与非互易贡献机制不明确的问题，通过垂直耦合GaAs/AlGaAs量子线器件，首次实现两种贡献的同步观测与温度/栅压调控。研究发现非互易成分在低温(<1.5K)占主导且与子带填充相关，而互易成分在高温呈现幂律增长(指数3-5)，揭示了电子关联作用与无序势的协同效应，为Luttinger液体理论在多通道体系中的应用及能量收集器件设计提供新思路。

　　

在凝聚态物理领域，一维电子体系因其独特的强关联特性而备受关注。当两根量子线通过库仑相互作用耦合时，驱动线中的电流会在被动线中诱导出拖曳电压，这种现象被称为库仑拖曳(Coulomb drag)。传统理论认为该效应源于动量转移(MT)或电流整流(CR)机制，但在一维体系中，由于电子-电子强关联作用和Luttinger液体(TLL)行为，其物理机制仍存在重大争议。更令人困惑的是，部分实验观察到拖曳电压方向与电流方向无关的非互易现象，这直接挑战了现有理论框架。

为解决这一核心问题，美国桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）的研究团队设计了一种创新性的垂直耦合量子线器件。通过分子束外延技术制备的双量子阱结构，两根GaAs量子线仅间隔15nm硬势垒(Al_0.3Ga_0.7As)，实现了强相互作用与独立调控的完美平衡。该研究成果以《Tunable reciprocal and nonreciprocal contributions to 1D Coulomb drag》为题发表于《Nature Communications》，首次在同一器件中同步观测到互易与非互易拖曳效应，并揭示其温度与栅压的调控规律。

研究采用三项关键技术：1) 电子束曝光制备的垂直集成栅极结构，实现量子线的静电定义与独立控制；2) EBASE（环氧键合停止蚀刻）技术完成异质结背侧加工，确保底部栅极精确对准；3) 毫开尔文温区(<15mK)的锁相放大测量系统，结合非线性电流-电压特性分析，解析拖曳信号的互易(V_drag^AS)与非互易(V_drag^S)成分。

器件表征与子带调控
通过栅压扫描证实器件具有清晰的量子限制效应，顶部（驱动线）和底部（被动线）量子线均呈现子带平台特征。值得注意的是，底部线表现出更低的无序度和更高的电导，这为后续拖曳测量提供了理想条件。

非互易拖曳的栅压依赖性
在15mK极低温下，拖曳电压图谱显示出与被动线子带位置对应的垂直条纹。非互易成分(V_drag^S)在多数栅压区域占主导，且其极性随子带填充数变化而反转，这与无序势导致的平移对称性破缺直接相关。

非线性传输特性
互易与非互易成分均表现出显著的非线性电流-电压关系，通过三阶多项式拟合发现：互易成分的线性项比二次项强1-2个数量级，这与等离激元驻波相互作用模型预测一致；而非互易成分的非线性行为更符合电荷涨落模型的预期。

温度调控相变
研究发现1.5K是关键的转变温度：低于此温度时，非互易成分主导且与子带填充相关；高于此温度时，互易成分呈幂律增长并占据主导。特别值得注意的是，互易成分的幂律指数(3-5)显著大于非互易成分(2.5-4)，表明两者源于不同的散射机制。

理论模型对比
实验数据与现有理论存在三方面差异：1) 观测到的幂律指数远超MT模型对单子带体系预测的2K_c-1；2) 互易成分在高温区的指数衰减(e^-2k_Fd)比非互易成分(e^-k_Fd)更快，这与CR模型预测的宽能量范围涨落特性吻合；3) 负拖曳电压的出现无法用纯净TLL理论解释，突显了无序势的关键作用。

这项研究开创性地揭示了一维库仑拖曳中互易与非互易效应的共存与竞争机制，为理解强关联体系中的能量-动量传递提供了新视角。其重要意义体现在三方面：首先，实验证实电子关联强度(k_c)与无序势共同决定拖曳行为，推动TLL理论向多通道/无序体系扩展；其次，非互易效应的栅压调控为拓扑量子器件设计提供新思路；最后，高温区互易效应的优势说明在能量收集器件中，减小线间距(<30nm)对提升转换效率至关重要。这些发现将促进一维体系在量子信息与热电转换领域的应用探索。