超导体变更 调控电子分布转变氧化物界面超导属性

2021-06-15 16:45:43

铝酸镧和钽酸钾原本是两种绝缘体,但组合在一起,界面就能导电甚至出现超导现象——今年2月才在《科学》杂志正式“亮相”的这一发现,勾起了科学家持续探秘的兴趣。

近日,浙江大学物理学系谢燕武研究员联合中国科学院物理所孙继荣研究员和周毅研究员等学者发现,可以像调控半导体器件那样,用门电压连续调控铝酸镧/钽酸钾界面的导电性质:随着电压的变化,该界面呈现了从超导到绝缘体的连续转变。同时,研究团队还在该界面观测到了可被连续调控的量子金属态等许多新奇的物理现象。相关论文5月14日在《科学》杂志上线。

调控电子分布转变氧化物界面超导属性

2007年,瑞士日内瓦大学的崔斯孔(Triscone)教授等首先发现了铝酸镧/钛酸锶界面存在超导现象。这标志着一类新的超导体系的诞生:氧化物界面超导。

“随后的研究发现,铝酸镧/钛酸锶界面的超导电性可以通过电压来开启或关闭,就像半导体晶体管。”谢燕武说,这不禁让人畅想,或许有一天学界能制造出像半导体一样可以精确调控的超导器件。

本次研究中,研究团队发现了一种全新的调控机制,实现了铝酸镧/钽酸钾导电性能的连续可调,器件随电压变化呈现出从超导到绝缘体的连续转变。

谢燕武介绍,导电电子在低温下两两配对,就会形成超导,目前已知的超导体系已经非常多,但能被电场调控的凤毛麟角。“我们的调控方法本质就是调控电子‘队形’的空间分布,让它们在更靠近或更远离界面的地方运动。”

大量的电子在氧化物界面附近运动时,会受到晶格缺陷(也称为“无序”)的影响,好比开车时遇到障碍物。这种“无序”越贴近界面分布越密集,越远离界面则越稀疏。

基于这一认识,研究团队提出了改变电子空间分布的思路。“如果有更多的电子靠近界面,那么整体来看,它们遇到的‘障碍物’就变多了,这会显著影响电子以及配对后的超导库珀对的运动行为。”

发现新线索观测到新奇的量子金属态

谢燕武说,对于新材料的研究动力主要来自两方面:一方面他们想通过新材料的研究来发现新的物理现象,获得更多的科学见解;另一方面,他们也试图为开发新器件提供有益的线索。

在这项实验中,研究人员测试了门电压从-200伏特到150伏特区间时界面的导电性能。论文第一作者、浙江大学物理系博士陈峥说:“我们直接测量了在这一门电压区间电子‘队形’空间分布的变化,当导电通道在6纳米时,铝酸镧/钽酸钾看起来是很好的超导体,而当通道调整到2纳米时,它就成了绝缘体。”

随着实验的推进,越来越多的数据涌现出来——无论温度在0到1开尔文的区间内如何变化,铝酸镧/钽酸钾界面的电阻几乎始终是恒定的。

“量子金属是同时具有部分超导和金属特性的新奇量子物态,这是一种典型的量子金属态。”周毅说,已知的量子金属态都只处于某个量子临界点上。而这个系统可以连续调控,量子金属作为相图上一个物相的形式存在。

《科学》杂志的审稿人对这项研究给予了非常积极的回应。他们认为,这种完全可调的超导性是一项引人入胜的突破,该项研究充分深入,几乎覆盖了过去十多年人们在铝酸镧/钽酸钾体系中获得的认识。

谢燕武说:“我们在铝酸镧/钽酸钾体系中的研究可为理解超导机制,尤其是理解高温超导中的机制提供全新的素材,为人们探索低温量子现象呈现了一个崭新的视野,也为超导器件的研发提供了新的思路。”

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