在关联氧化物界面发现时间反演对称性保护的输运证据 | NSR

近日，中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室程光磊教授团队在关联氧化物界面领域取得重大突破，首次在高迁移率铝酸镧/钛酸锶氧化物界面中观测到极低磁场非常规量子振荡，揭示了具有极轻有效质量的电子次能带（有效质量约0.03me）的存在证据。这一次能带的形成归因于钛酸锶界面受TRS保护的、准一维铁弹畴畴壁上超强Rashba自旋轨道耦合效应，为设计和调控新型量子态提供了新的平台。相关成果已经发表于《国家科学评论》2025年第6期，标题为 “Time reversal symmetry-protected transport at correlated oxide interfaces”。

时间反演对称性（Time-Reversal Symmetry, TRS）是一种基本的物理对称性，指系统在时间反向演化下仍保持物理规律不变的特性。在拓扑绝缘体等具有强自旋轨道耦合的体系中，TRS常体现为自旋与动量的锁定，从而有效抑制电子的反向散射。尽管TRS在拓扑材料中发挥了关键作用，但它与电子的关联性却常常难以兼容。如果能将两者结合，则有望实现拓扑超导、马约拉纳零能模等新奇量子态。

在关联氧化物界面中，这一设想尤为受到关注：一方面，强关联氧化物界面通常展现出诸如超导、Rashba自旋轨道耦合等丰富的关联现象；另一方面，TRS在这些体系的量子相干输运行为中所扮演的角色仍不明确。理解TRS在强关联氧化物界面的作用机制，是探索此类界面设计和调控新型量子态可能性的关键。

图1：超高迁移率 (m+n) LAO/STO氧化物界面极低磁场非常规量子振荡。

研究团队展示了一种新的氧化物界面生长方法，通过精准设计的（m+n）调制掺杂生长模式，严格抑制了界面氧空位的形成，成功制备出具有超高迁移率的铝酸镧/钛酸锶（LAO/STO）氧化物界面。首次在极低磁场（约0.3 T）下观测到一种非常规的量子振荡输运现象。这种振荡对应的载流子具有极轻的有效质量, 在过去半个多世纪在被广泛研究的STO电子系统中鲜有报道。此外，振荡还表现出明显的非周期性及对磁场的敏感性。进一步分析表明，振荡来源于受TRS保护的次能带，该次能带的形成源于STO中准一维铁弹畴畴壁，这些畴壁展现出极强的Rashba自旋轨道耦合效应，其强度较传统关联氧化物界面提高了两个数量级，与典型拓扑绝缘体材料相当。

此外，研究发现该次能带还能够通过背栅电压进行有效调控，且与多能带输运和超导等现象密切相关。研究团队提出了一种量子修正多能带模型，唯象地描述了电场对该次能带的奇异调控行为。这一研究成果为探索关联氧化物界面中时间反演对称性的作用机制提供了重要实验证据，并进一步拓展了关联氧化物界面在量子工程的应用前景。

图2 ：振荡电子具有极轻的质量，其行为对磁场较为敏感，其行为并可被电场明显调控。

中国科学技术大学微尺度国家研究中心的哈梦可博士、肖庆、覃志远为共同第一作者。中国科学技术大学高阳教授与段昌奎教授团队提供了理论支持。复旦大学的刘韡韬教授和上海科技大学的曹克诚教授团队为该研究提供了非线性光学表征与透射扫描电镜表征支持。同时，该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院基础研究领域青年团队计划以及中央高校基本科研等项目的支持。

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf156