电子学院康宁-张志勇联合团队在高密度碳纳米管阵列的量子输运研究中取得重要进展
电子体系的特性受到维度和电子-电子相互作用的显著影响，在三维或二维体系中，电子通常可以近似为准粒子，遵循费米液体（Fermi liquid）理论；而当系统降至一维时，传统费米液体理论失效，电子-电子相互作用将主导体系的输运行为，形成自旋和电荷密度的集体激发模式，称为Tomonaga-Luttinger液体（Luttinger liquid）。理论研究预测，在耦合一维导体阵列中，通过调控一维体系间的耦合作用，有望实现丰富关联电子态的调控以及维度间的连续转变。然而实验上实现均匀、可控耦合的一维阵列面临诸多挑战。
近日，北京大学电子学院碳基电子学研究中心的康宁副研究员-张志勇教授联合团队基于高密度顺排碳纳米管阵列开展了电子关联与维度效应的量子器件输运研究，成功实现了耦合一维电子体系的可控转变。研究表明，通过调控耦合阵列体系的电子-电子相互作用强度与温度，能够在Fermi liquid（二维）、Luttinger liquid（一维）和Coulomb blockade（零维）量子态之间的连续调控（图1），为理解耦合一维低维体系中的量子输运行为提供了直接实验证据。
图1. 耦合一维阵列的电子关联相图，电子-电子相互作用与温度调控下的三个量子态：Fermi liquid、Luttinger liquid和Coulomb blockade
在研究中，科研团队采用“维度自限制组装”技术构建出管间距小于0.5纳米的高密度顺排碳纳米管阵列【Science 368，850 （2020）】，并结合高效固体栅极结构（图2a），实现了对体系载流子浓度的大范围可调，进而调控其电子-电子相互作用。变温电学输运实验结果显示，碳纳米管阵列的平行和垂直于轴向的微分电导均随温度和偏压表现出统一的幂律标度行为（图2b和2c），表明体系中形成了稳定的一维Luttinger liquid。
图2. 高密度碳纳米管阵列的Luttinger liquid行为。（a）基于碳纳米管阵列的平行与垂直器件结构示意图；平行（b）和垂直（c）器件的微分电导随温度和偏压的幂律标度行为
进一步的研究表明，通过调节栅极电压，多个器件中均观察到一致的Luttinger liquid幂律指数规律：随载流子浓度增加，电子-电子相互作用因管间介电屏蔽效应而减弱，清晰地验证了可调控的电子关联效应（图3a）。在高载流子浓度区间，随着温度的进一步降低，管间耦合效应开始影响电子特性，体系从Luttinger liquid行为过渡到Fermi liquid行为；而在低载流子浓度区间，电子局域化效应明显，体系表现为热激发的库伦阻塞特征（图3b）。通过对输运行为的系统分析，团队成功构建了耦合一维电子体系的完整实验相图，揭示了电子关联效应在维度调控下的系统性转变，为理解低维体系中的量子相行为提供了直接实验证据。
图3. 高密度碳纳米管阵列可调电子关联效应。（a）多个器件中幂律指数随栅压的统一调制规律；（b）归一化微分电导的栅压和温度分布图，幂律行为的偏离展示出清晰的量子态区间
以上相关成果以《耦合碳纳米管阵列中的维度和关联效应》（Dimensionality and correlation effects in coupled carbon nanotube arrays）为题，于2025年9月1日在线发表于《物理学进展报告》（Reports on Progress in Physics）。该项研究得到了国家重点研发计划、量子科技专项和国家自然科学基金等项目以及纳米器件物理与化学教育部重点实验室的支持。北京大学电子学院博雅博士后邓小松为论文第一作者，康宁和张志勇为论文共同通讯作者，论文的主要合作者还包括电子科技大学张妍宁教授和浙江大学金传洪教授等。该成果为后续探索低维电子关联系统、量子相变和新奇输运现象提供了可靠平台，有望拓展到其他低维材料和异质结体系，并推动新型碳基量子器件与低维电子学等领域的应用与创新。
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