• 浙大團隊Science再發文!解密如何利用電場控制氧化物界面超導

    發布時間:2021-05-24來源:浙江大學學術委員會

    鋁酸鑭(LaAlO3)和鉭酸鉀(KTaO3)是兩種絕緣體,但當它們組合在一起時,界面就能導電甚至出現超導現象。這種剛剛“問世”的界面超導引發了科學家強烈的興趣,來自浙江大學物理學系、中科院物理所等機構的學者發現,可以像調控半導體器件那樣,用電壓連續調控LaAlO3/KTaO3界面的導電性質:隨著門電壓的變化,它呈現了從超導到絕緣體的連續轉變。同時,研究團隊還在這一界面觀測到了可被連續調控的量子金屬態等許多新奇的物理現象。 

    5月14日,相關論文Electric field control of superconductivity at the LaAlO3/KTaO3 (111) interface (電場控制LaAlO3/KTaO3 (111)界面超導)在《科學》雜志上線。論文的共同第一作者為浙大物理系博士生陳崢、劉源和北京航空航天大學博士后張慧,共同通訊作者是浙大物理學系謝燕武研究員,中科院物理所孫繼榮研究員和周毅研究員。這一發現為人們探索低溫量子現象呈現了一個嶄新的視野,也為超導器件的研發提供了新的思路。

    “后浪”的潛力 

    LaAlO3/KTaO3界面超導今年2月才剛剛在《科學》雜志正式“亮相”。在氧化物界面超導家族中,它是第2位入列的成員。第1位成員亮相于2007年,瑞士日內瓦大學的Triscone教授等首先發現了LaAlO3/SrTiO3界面存在超導現象,這標志著一類新的超導體系的誕生:氧化物界面超導。

    Triscone曾用一堆樂高積木來形容這一領域的奇妙:不同的氧化物可以產生千變萬化的組合,每種組合都有可能蘊含著未知的、新奇的性質。隨后的研究發現,LaAlO3/SrTiO3的超導電性可以通過電壓來開啟或關閉,就像我們熟知的半導體晶體管。這不禁讓人暢想,或許有一天我們能制造出像半導體一樣可以精確調控的超導器件。

     而一年多前“新生”于美國阿貢實驗室的“后浪”LaAlO3/KTaO3的表現似乎更加搶眼。今年2月發表在《科學》雜志的論文指出,“LaAlO3/KTaO3的超導轉變溫度可達2.2 K,比“前浪”的0.3 K高出整整一個數量級。那么,它會有哪些新奇的性質?它的超導性能也能被調控嗎?它對超導機制研究會有哪些價值?神秘的“后浪”吸引著謝燕武與他的合作伙伴們去一探究竟。

    新的調控,新的機制 

    調控,是實驗科學研究最重要的手段和內容。在這項研究中,研究團隊發現了一種全新的調控機制,實現了LaAlO3/KTaO3導電性能的連續可調,器件隨電壓變化呈現了從超導到絕緣體的連續轉變。

    圖:博士生陳崢和劉源在實驗室制備樣品 

    謝燕武介紹,導電電子在低溫下兩兩配對,就會形成超導,目前已知的超導體系已經非常多,但能被電場調控的鳳毛麟角?!啊蔽覀兊恼{控方法本質就是調控電子‘隊形’的空間分布,讓它們在更靠近或更遠離界面的地方運動?!贝罅康碾娮釉谘趸锝缑娓浇\動時,會受到晶格缺陷(也稱為“無序”)的影響?!熬拖耖_車時遇到障礙物?!敝x燕武說,這種“無序”越貼近界面分布越密集,越遠離界面則越稀疏?;谶@一認識,研究團隊提出了改變電子空間分布的思路,“如果有更多的電子靠近界面,那么整體來看它們遇到的‘障礙物’就變多了,這會顯著影響電子以及配對后的超導庫珀對的運動行為?!?/p>

    圖:每平方厘米界面通道里有80萬億個電子在運動,門電壓通過改變它們的“隊形”來影響界面導電性能?!吧角稹毙螤钍疽饬藷o序分布。 

    在這項實驗中,研究人員測試了門電壓從-200V到150V區間時界面的導電性能?!安徽撛诔瑢мD變溫度之上還是之下,導電性都可被連續調控?!标悕樥f,“我們還直接測量了在這一門電壓區間電子‘隊形’空間分布的變化,當導電通道在6納米時,LaAlO3/KTaO3看起來是很好的超導,而當通道調整到2納米時,它就成了絕緣體?!?/p>

    圖:在-200V到150V區間施加不同門電壓時LaAlO3/KTaO3界面的面電阻(Rsheet)隨溫度(T)的變化。 

    “從表面看,我們與傳統的方法用的都是門電壓調控,但背后的調控機制是全新的?!睂O繼榮說,傳統的方法,無論是半導體晶體管還是LaAlO3/SrTiO3,都是通過改變電子濃度從而實現對導電性能的調控,這里需要有個前提:電子濃度低?!跋啾戎?,LaAlO3/KTaO3界面的電子濃度很高,不能滿足傳統的調控機制,因此需要探索全新的調控機制?!睂O繼榮說,新的調控仍然以類似于晶體管的方式工作,但本質上打破了對于電子濃度的限制。

     量子金屬態 

    博士生陳崢與劉源全程參與了樣品的制備和測試。陳崢說,研究過程中最難忘的是第一次測出LaAlO3/KTaO3超導性的那一天,“表明我們已經掌握了制備這一新界面超導體系的方法,可以開始我們的調控研究了!”隨著實驗的推進,越來越多的數據涌現出來。當他們把它們放到一起時,驚奇地發現在低溫下是一條又一條水平線條,也就是說,無論溫度在0~1K的區間內如何變化,LaAlO3/KTaO3界面的電阻幾乎始終是恒定的?!傲孔咏饘偈峭瑫r具有部分超導和金屬特性的新奇量子物態,這是一種典型的量子金屬態?!敝芤阏f,“已知的量子金屬態都只處于某個量子臨界點上。而這個系統可以連續調控,量子金屬作為相圖上一個物相的形式存在,這個新發現令我們異常激動?!?/p>

    圖:器件實物照片。中間核心橋路部分寬20微米,長100微米。 

    《科學》雜志的審稿人對這項研究給與了非常積極的回應,他們認為,這種完全可調的超導性是一項引人入勝的突破,該項研究充分深入,幾乎覆蓋了過去10多年人們在LaAlO3/SrTiO3體系中獲得的認識。 

    謝燕武說,對于新材料的研究主要來自于兩方面動力:一方面想通過新材料的研究來發現新的物理現象,獲得更多的科學見解;另一方面也試圖為開發新器件提供有益的線索?!拔覀冊贚aAlO3/KTaO3體系中的研究可為理解超導機制,尤其是理解高溫超導中的機制提供全新的素材,同時也為將來開發超導器件提供了新的視野?!?/p>

    這項研究的團隊成員還包括浙大物理系博士生孫艷秋、張蒙,以及浙大材料學院田鶴教授和劉中然博士。 

    研究得到了浙江大學量子交叉中心同仁在技術和設備等方面的全方位支持,同時還得到了浙江大學“雙一流”建設專項經費、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、和浙江省重點研發計劃等支持。

    圖:浙大物理系謝燕武課題組

     論文DOI:10.1126/science.abb3848

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