Editors' Suggestion

Realizations, Characterizations, and Manipulations of Two-Dimensional Electron Systems Floating above Superfluid Helium Surfaces

Haoran Wei(魏浩然), Mengmeng Wu(吴蒙蒙), Renfei Wang(王任飞), Mingcheng He(何明城), Hiroki Ikegami, Yang Liu(刘阳), and Zhi Gang Cheng(程智刚)

Chin. Phys. Lett. 2023, 40 (12): 127301

DOI: 10.1088/0256-307X/40/12/127301

文章亮点

成功制备了悬浮于超流液氦表面之上的仅由电子构成的理想二维体系，通过测量电子在面内的输运过程，实现了对电子的密度、分布以及输运行为的调控，为基于该体系实现多电子关联体系和单电子量子器件打下了基础。

左图：液氦表面悬浮二维电子体系的制备及输运测量示意图；右图：场效应调控电子分布所导致的输运电流随门压的变化关系。

超流液氦表面悬浮二维电子体系的实现、表征及操控

研究背景

氦是最小的单原子分子，具有非常大的零点动能，因此可在极低温条件下展现出明显的量子效应。但由于实验条件苛刻、研究手段有限，氦物理研究长期以来未能受到关注。随着当前量子计算等领域对极低温制冷和实验技术需求的增加，氦物理研究逐渐体现出其重要性。液氦表面存在着电子势阱，在极低温条件下可以束缚住电子，形成仅由电子构成的二维体系。该体系悬浮于液氦上方约10 nm处，周围环境接近真空，因此具有密度可调、迁移率高、易于操控、量子态稳定等特征。一方面可为多电子相互作用研究提供理想的实验载体，另一方面可为单电子量子器件研发提供良好的构筑体系。

内容简介

最近，中国科学院物理研究所程智刚课题组与北京大学刘阳课题组合作制备了悬浮二维电子体系。他们将钨丝瞬间加热产生热电子，热电子发射到超流液氦表面，产生了悬浮二维电子体系；通过对电子层内化学势进行调制实现了面内输运过程。该研究表明：该二维电子体系的电子密度可在3×10⁷ cm^-2至3×10⁸ cm^-2范围内可调，电子分布可通过栅极调控，面内运动幅度随化学势调制频率变化明显。该研究还展望了进一步提升电子密度可调范围和提升电子可操控性的改进方案。

研究意义和重要性

悬浮于超流液氦上方的二维电子体系是接近完美的理想体系，将为凝聚态基础研究和量子信息技术提供一个新的平台：一方面，利用对于电子密度和行为的灵活调控能力可以演示电子关联体系模型；另一方面，由于环境影响极小，可利用电子的能量、动量、自旋等量子化自由度构建二能级系统，从而构筑量子态稳定的新型器件。该工作是实现上述前景的第一步，为进一步探寻该体系在基础研究和器件研发两方面的应用打下了坚实基础。

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