非互易库仑拖拽：探索磁性拓扑系统的新突破

为探究磁性材料间库仑拖拽及磁涨落的影响，研究人员以具有量子反常霍尔效应（QAH）的铁磁陈绝缘体为对象展开研究。发现其纵向和横向拖拽信号违背昂萨格互易性，且与磁涨落密切相关。该研究拓展了库仑拖拽的研究领域。

　　在微观的电子世界里，两个相互靠近却又彼此绝缘的导体之间，存在着一种奇妙的现象：当给其中一个导体通入电流时，另一个导体竟然会产生电压，这就是库仑拖拽（Coulomb drag）效应。以往，科学家们对这种效应的研究主要集中在非磁性材料上，然而，磁性材料中复杂的磁结构和磁转变，是否会给库仑拖拽带来新的变化呢？这成为了悬而未决的问题。为了探索其中的奥秘，北京大学的研究人员展开了深入研究。他们以 V 掺杂的(Bi,Sb)2?Te3?薄膜制成的陈绝缘体（Chern insulator）为研究对象，这种材料在低温下具有铁磁性，还能展现出量子反常霍尔效应（QAH） 。研究人员精心构建了介观器件，用于探究库仑拖拽现象。最终，他们发现了令人惊喜的结果：在两个陈绝缘体之间，存在着非互易的库仑拖拽现象，并且这种现象与磁涨落紧密相连。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为库仑拖拽的研究开辟了新的方向。

研究人员采用了多种关键技术方法。在材料制备方面，运用分子束外延技术在半绝缘 GaAs (111) B 衬底上外延生长 V 掺杂的(Bi,Sb)2?Te3?薄膜。器件制作则结合标准光刻和反应离子刻蚀技术，将薄膜加工成 H 型结构，并通过电子束光刻和反应离子刻蚀形成空气间隙。测量时，把器件放入低温恒温器，施加垂直于器件表面的磁场，利用低频交流电流锁定技术提高信噪比 。

下面来详细看看研究结果。

1. 陈绝缘体的库仑拖拽现象：实验在分裂 H 型结构器件上进行，两个陈绝缘体被空气间隙隔开。当向驱动电路通入电流，并扫描外部垂直磁场B2?时，研究人员发现，在陈绝缘体的磁化反转过程中（约 ±(0.8 - 1.3) T），拖拽电路中出现了有限的拖拽电阻Rdrag?（定义为Rdrag?=?Vdrag∥?/Idrive? ），而当陈绝缘体处于单畴状态时，拖拽电阻消失。这表明库仑拖拽信号与陈绝缘体的磁状态密切相关。
2. 违背昂萨格互易性：通过改变电流方向和电路连接方式进行测试，研究人员发现陈绝缘体中的库仑拖拽违背昂萨格互易性（Onsager’s reciprocity）。按照传统理论，改变驱动电流方向，拖拽电压的符号应该反转，但实验中Vdrag∥?的符号仅取决于拖拽电路，与驱动电流方向无关。无论是交流还是直流测量，都验证了这一非互易行为，且该行为具有良好的重复性。
3. 拖拽的整流本质：研究人员进一步研究了拖拽的本质。从I?V关系来看，在低驱动电流范围内，Vdrag∥?与电流呈线性关系，但在高驱动电流时表现出轻微的非线性。这一特性符合介观电路中整流拖拽的微观模型，说明拖拽具有整流本质。这种整流依赖于电子 - 空穴不对称，在陈绝缘体中，多畴状态下边界处的手性和反铁磁边缘态起到了类似电子 - 空穴不对称的作用。
4. 温度依赖性：研究拖拽电阻随温度的变化发现，其温度依赖关系为Rdrag? T?0.49±0.06，接近理论预测的扩散区域中Rdrag? T?0.5的依赖关系。这表明在测量的温度和磁场范围内，强介观涨落和扩散输运主导了拖拽过程。同时，磁涨落也在其中发挥了重要作用，在磁化反转附近，磁涨落达到最大，拖拽电阻的涨落ΔRdrag?也只在该区域出现 。
5. 横向拖拽：研究人员对横向拖拽也进行了探究。在测量横向拖拽电压Vdrag⊥?时，发现其在陈绝缘体退磁过程中呈现出关于矫顽场?Bc?或+Bc?的反对称峰。而且，Vdrag⊥?与驱动电流方向无关，这同样违背了昂萨格互易性。理论分析表明，Vdrag⊥?可能是对纵向拖拽力的横向响应，并且与拖拽电路的磁化强度有关 。

研究结论和讨论部分指出，该研究首次在磁性拓扑系统中发现非互易库仑拖拽现象，揭示了磁动力学对库仑拖拽的重要影响，为评估昂萨格互易性的有效性提供了新的线索。与传统的二维电子气（2DEG）量子霍尔系统相比，陈绝缘体中的库仑拖拽表现出独特的性质，如横向拖拽电压的反对称峰。从温度依赖性来看，该系统的拖拽行为更接近 1D 拖拽特征，暗示其可能具有一定的 1D 性质。然而，要完全区分电荷涨落和磁涨落对库仑拖拽的贡献，还需要更多的理论和实验研究。总体而言，这项研究为库仑拖拽领域开辟了新的研究方向，推动了人们对磁性拓扑系统中电子相互作用的理解，有望在未来的电子器件和拓扑量子计算等领域发挥重要作用。