電子學院康寧-張志勇聯合團隊在高密度碳納米管陣列的量子輸運研究中取得重要進展
電子體系的特性受到維度和電子-電子相互作用的顯著影響，在三維或二維體系中，電子通常可以近似為準粒子，遵循費米液體（Fermi liquid）理論；而當系統降至一維時，傳統費米液體理論失效，電子-電子相互作用將主導體系的輸運行為，形成自旋和電荷密度的集體激發模式，稱為Tomonaga-Luttinger液體（Luttinger liquid）。理論研究預測，在耦合一維導體陣列中，通過調控一維體系間的耦合作用，有望實現豐富關聯電子態的調控以及維度間的連續轉變。然而實驗上實現均勻、可控耦合的一維陣列面臨諸多挑戰。
近日，北京大學電子學院碳基電子學研究中心的康寧副研究員-張志勇教授聯合團隊基于高密度順排碳納米管陣列開展了電子關聯與維度效應的量子器件輸運研究，成功實現了耦合一維電子體系的可控轉變。研究表明，通過調控耦合陣列體系的電子-電子相互作用強度與溫度，能夠在Fermi liquid（二維）、Luttinger liquid（一維）和Coulomb blockade（零維）量子態之間的連續調控（圖1），為理解耦合一維低維體系中的量子輸運行為提供了直接實驗證據。
圖1. 耦合一維陣列的電子關聯相圖，電子-電子相互作用與溫度調控下的三個量子態：Fermi liquid、Luttinger liquid和Coulomb blockade
在研究中，科研團隊采用“維度自限制組裝”技術構建出管間距小于0.5納米的高密度順排碳納米管陣列【Science 368，850 （2020）】，并結合高效固體柵極結構（圖2a），實現了對體系載流子濃度的大范圍可調，進而調控其電子-電子相互作用。變溫電學輸運實驗結果顯示，碳納米管陣列的平行和垂直于軸向的微分電導均隨溫度和偏壓表現出統一的冪律標度行為（圖2b和2c），表明體系中形成了穩定的一維Luttinger liquid。
圖2. 高密度碳納米管陣列的Luttinger liquid行為。（a）基于碳納米管陣列的平行與垂直器件結構示意圖；平行（b）和垂直（c）器件的微分電導隨溫度和偏壓的冪律標度行為
進一步的研究表明，通過調節柵極電壓，多個器件中均觀察到一致的Luttinger liquid冪律指數規律：隨載流子濃度增加，電子-電子相互作用因管間介電屏蔽效應而減弱，清晰地驗證了可調控的電子關聯效應（圖3a）。在高載流子濃度區間，隨著溫度的進一步降低，管間耦合效應開始影響電子特性，體系從Luttinger liquid行為過渡到Fermi liquid行為；而在低載流子濃度區間，電子局域化效應明顯，體系表現為熱激發的庫倫阻塞特征（圖3b）。通過對輸運行為的系統分析，團隊成功構建了耦合一維電子體系的完整實驗相圖，揭示了電子關聯效應在維度調控下的系統性轉變，為理解低維體系中的量子相行為提供了直接實驗證據。
圖3. 高密度碳納米管陣列可調電子關聯效應。（a）多個器件中冪律指數隨柵壓的統一調制規律；（b）歸一化微分電導的柵壓和溫度分布圖，冪律行為的偏離展示出清晰的量子態區間
以上相關成果以《耦合碳納米管陣列中的維度和關聯效應》（Dimensionality and correlation effects in coupled carbon nanotube arrays）為題，于2025年9月1日在線發表于《物理學進展報告》（Reports on Progress in Physics）。該項研究得到了國家重點研發計劃、量子科技專項和國家自然科學基金等項目以及納米器件物理與化學教育部重點實驗室的支持。北京大學電子學院博雅博士后鄧小松為論文第一作者，康寧和張志勇為論文共同通訊作者，論文的主要合作者還包括電子科技大學張妍寧教授和浙江大學金傳洪教授等。該成果為后續探索低維電子關聯系統、量子相變和新奇輸運現象提供了可靠平臺，有望拓展到其他低維材料和異質結體系，并推動新型碳基量子器件與低維電子學等領域的應用與創新。
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