量子线中双Luttinger液体共存体系的端隧穿主导效应研究

研究人员通过隧穿光谱和密度依赖输运测量，在低至40 mK的极低温下揭示了量子线中第二一维子带占据时出现的双幂律输运行为，证实了端隧穿过程对Luttinger液体特性的主导作用。该研究为Luttinger液体参数的独立测量提供了新范式，解决了传统输运指数解释的争议性问题。

　　

在凝聚态物理领域，一维电子体系因其独特的量子特性长期备受关注。Tomonaga-Luttinger液体理论作为描述一维强关联系统的标杆模型，预言了电荷与自旋自由度分离、关联函数幂律衰减等奇异现象。然而实验验证面临核心挑战：传统输运测量获得的幂律指数存在多重解释路径，难以区分体隧穿（bulk tunneling）与端隧穿（end tunneling）等不同机制的贡献。更复杂的是，当量子线中多个一维子带被占据时，多组Luttinger参数的共存效应使问题进一步复杂化。

瑞士巴塞尔大学（University of Basel）量子器件实验室的Henok Weldeyesus团队与剑桥大学研究人员合作，在《Nature Communications》发表突破性研究。通过设计GaAs/Al_0.33Ga_0.67As双量子阱异质结器件，结合极低温（8 mK）隧穿光谱与跨越三个数量级的变温输运测量，首次在单一量子线体系中观测到双Luttinger液体共存的直接证据。研究采用磁隧穿技术实现动量分辨谱学测量，同步获取自旋（v_s）和电荷（v_c）模式的费米速度，结合密度依赖的输运指数分析，建立了微观参数与宏观输运行为的关联图谱。

关键技术包括：1）分子束外延生长含32 nm间距双量子阱的异质结；2）亚微米线栅阵列制备实现一维约束；3）两级RC滤波与银环氧微波滤波器构建极低温测量系统；4）磁隧穿谱解析自旋-电荷分离的抛物线色散；5）采用电子-声子退耦合模型处理低于65 mK的温区数据。

输运指数分析
在单子带区域（V_g=-670 mV），零偏导纳呈现单一幂律G∝T^α（α=0.36），温度跨越60 mK-1 K。当第二子带占据时（V_g>-590 mV），输运曲线分裂为双指数区：高温区（400 mK-3 K）α₁=0.28-0.36，低温区（<400 mK）α₂=0.46-0.58。通过对比理论预测的体隧穿指数α_bulk≈0.05与端隧穿指数α_end≈0.3-0.6，证实观测值更接近端隧穿机制。

磁隧穿谱学
动量分辨测量显示自旋（绿色）与电荷（粉色）模式在费米点附近呈线性色散，提取的Luttinger参数K_v=v_F/v_v随密度增加趋近非相互作用极限（K_c,s→1）。第二子带占据时，光谱出现额外费米点（k_F,(1,2)），对应独立的自旋-电荷抛物线色散，证实双Luttinger液体共存。

有限尺寸效应
电压切割实验（V_sd=0.12 mV）与温度依赖性的交叉验证表明，端隧穿过程主导的有限尺寸效应是幂律异常增强的主因。当磁场B超越费米动量对应值B⁺时，输运指数下降现象暗示非线性Luttinger液体理论预言的3k_F点电荷模式贡献。

该研究确立了隧穿谱学作为Luttinger参数独立测量手段的不可替代性，解决了长期存在的输运指数解释歧义。发现的双Luttinger液体共存现象为研究一维体系中的库仑拖拽（Coulomb drag）提供了新平台，同时促使学界重新审视碳纳米管中"体隧穿"指数的物理本质。研究揭示的端隧穿主导机制，对设计基于一维体系的量子器件具有重要指导意义。