量子中心新实验进展：10μeV量级能带变化的实验观测

多体量子系统在强相互作用下会呈现出丰富多彩的新规律。当粒子间库伦势能远大于系统的其他能量时，我们无法再以微扰方式理解粒子间的互动。在特定条件下，多体系统通过粒子间的相互关联将材料能带结构的微小变化放大，从而产生实验可观测的宏观变化。

半导体异质结中的二维自由载流子是研究多体现象的极佳载体。该体系具有极低的晶格缺陷，使得0.1mm的宏观范围内的电子具有可观测的量子相干性。在强磁场环境中，粒子的动能被压缩到具有大量简并的分立朗道能级中。这时该系统的哈密顿算符中仅仅包含了粒子间的库伦相互作用。多体问题的复杂性瞬间呈现在我们眼前：具有相同哈密顿算符的自由电子系统可以自发地呈现出气态、不同固态、不同液态、甚至激子态。

应力应变是调控材料特性的常用方法。压力可以改变材料的晶格常数，从而改变材料的禁带宽度、改变载流子的有效质量、调节导带底在波矢空间的位置或者电子在不同能谷的分布。当前的角分辨光电子能谱（ARPES）实验能够分辨meV的能带结构，而基于多体理论的第一性原理计算能够达到0.1eV的精度。受限于分辨率，静液压对材料能带的精细作用并不为我们所了解。静液压改变了材料的晶格常数，但是并不改变材料的空间对称性、自旋属性、或者角动量属性，因而对物态调控有独特的价值。

2015年，普渡大学的Csathy教授的实验组首次报道了稀释制冷温区的静液压输运测量（Nature Physics 12, 191）。这一实验发现各向同性的静液压会引起GaAs/AlGaAs中的二维电子系统发生各向同性的分数量子霍尔态到各向异性的电荷密度波的相变。我们参考他的实验技术路线，成功实现了电子温度小于40 mK、压力最高20 kbar的极低温静液压测量环境。相比金刚石对顶砧技术，静液压技术尽管能获得的压力低，但是适用于大体积的样品，也便于开展极低温下的输运测量。

利用这一技术，量子中心研究生黄可研究了静液压下的GaAs/AlGaAs异质结二维空穴系统。实验观测到，在各向同性的静液压诱导下，朗道能级填充系数3/2附近的分数量子霍尔态出现了自旋相变。通过对相变规律的分析，作者发现两个由于自旋轨道耦合分裂的朗道能级在高压作用下发生简并，所以空穴具有不同自旋量子数的子能带在静液压作用下发生了相应的微弱变化。该工作利用多体量子态相变研究静液压作用下材料物性发生的10μeV量级的微小变化，高于其他已有的实验探测手段和计算方法。

该工作由威廉希尔williamhill官网量子中心刘阳与林熙课题组合作完成，样品由普林斯顿大学Pfeiffer组提供。文章发表于Physical Review Letters (https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.206602)。