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?？梢越茷闇?zhǔn)粒子，遵循費(fèi)米液體（Fermi liquid）理論；而當(dāng)系統(tǒng)降至一維時(shí)，傳統(tǒng)費(fèi)米液體理論失效，電子-電子相互作用將主導(dǎo)體系的輸運(yùn)行為，形成自旋和電荷密度的集體激發(fā)模式，稱(chēng)為T(mén)omonaga-Luttinger液體（Luttinger liquid）。理論研究預(yù)測(cè)，在耦合一維導(dǎo)體陣列中，通過(guò)調(diào)控一維體系間的耦合作用，有望實(shí)現(xiàn)豐富關(guān)聯(lián)電子態(tài)的調(diào)控以及維度間的連續(xù)轉(zhuǎn)變。然而實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)均勻、可控耦合的一維陣列面臨諸多挑戰(zhàn)。

近日，北京大學(xué)電子學(xué)院碳基電子學(xué)研究中心的康寧-張志勇聯(lián)合團(tuán)隊(duì)基于高密度順排碳納米管陣列開(kāi)展了電子關(guān)聯(lián)與維度效應(yīng)的量子器件輸運(yùn)研究，成功實(shí)現(xiàn)了耦合一維電子體系的可控轉(zhuǎn)變。研究表明，通過(guò)調(diào)控耦合陣列體系的電子-電子相互作用強(qiáng)度與溫度，能夠在Fermi liquid（二維）、Luttinger liquid（一維）和Coulomb blockade（零維）量子態(tài)之間的連續(xù)調(diào)控（圖1），為理解耦合一維低維體系中的量子輸運(yùn)行為提供了直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

圖1 耦合一維陣列的電子關(guān)聯(lián)相圖，電子-電子相互作用與溫度調(diào)控下的三個(gè)量子態(tài)：Fermi liquid、Luttinger liquid 和 Coulomb blockade。

在研究中，科研團(tuán)隊(duì)采用“維度自限制組裝”技術(shù)構(gòu)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(jié)合高效固體柵極結(jié)構(gòu)（圖2a），實(shí)現(xiàn)了對(duì)體系載流子濃度的大范圍可調(diào)，進(jìn)而調(diào)控其電子-電子相互作用。變溫電學(xué)輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，碳納米管陣列的平行和垂直于軸向的微分電導(dǎo)均隨溫度和偏壓表現(xiàn)出統(tǒng)一的冪律標(biāo)度行為（圖2b和2c），表明體系中形成了穩(wěn)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(jié)構(gòu)示意圖；

平行（b）和垂直（c）器件的微分電導(dǎo)隨溫度和偏壓的冪律標(biāo)度行為。

進(jìn)一步的研究表明，通過(guò)調(diào)節(jié)柵極電壓，多個(gè)器件中均觀察到一致的Luttinger liquid冪律指數(shù)規(guī)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(yīng)而減弱，清晰地驗(yàn)證了可調(diào)控的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)（圖3a）。在高載流子濃度區(qū)間，隨著溫度的進(jìn)一步降低，管間耦合效應(yīng)開(kāi)始影響電子特性，體系從Luttinger liquid行為過(guò)渡到Fermi liquid行為；而在低載流子濃度區(qū)間，電子局域化效應(yīng)明顯，體系表現(xiàn)為熱激發(fā)的庫(kù)倫阻塞特征（圖3b）。通過(guò)對(duì)輸運(yùn)行為的系統(tǒng)分析，團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了耦合一維電子體系的完整實(shí)驗(yàn)相圖，揭示了電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)在維度調(diào)控下的系統(tǒng)性轉(zhuǎn)變，為理解低維體系中的量子相行為提供了直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

圖3 高密度碳納米管陣列可調(diào)電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)。

a, 多個(gè)器件中冪律指數(shù)隨柵壓的統(tǒng)一調(diào)制規(guī)律；

b, 歸一化微分電導(dǎo)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(tài)區(qū)間。

以上相關(guān)成果以《耦合碳納米管陣列中的維度和關(guān)聯(lián)效應(yīng)》（Dimensionality and correlation effects in coupled carbon nanotube arrays）為題，于2025年9月1日在線發(fā)表于《物理學(xué)進(jìn)展報(bào)告》（Reports on Progress in Physics）。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、量子科技專(zhuān)項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目以及納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。北京大學(xué)電子學(xué)院博雅博士后鄧小松為論文第一作者，康寧副研究員和張志勇教授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(xué)張妍寧教授和浙江大學(xué)金傳洪教授等。該成果為后續(xù)探索低維電子關(guān)聯(lián)系統(tǒng)、量子相變和新奇輸運(yùn)現(xiàn)象提供了可靠平臺(tái)，有望拓展到其他低維材料和異質(zhì)結(jié)體系，并推動(dòng)新型碳基量子器件與低維電子學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用與創(chuàng)新。