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CQ9团队Science再发文!解密如何利用电场控制氧化物界面超导

发布时间:2021-05-24来源:CQ9电子学术委员会作者:周炜0

铝酸镧(LaAlO3)和钽酸钾(KTaO3)是两种绝缘体,但当它们组合在一起时,界面就能导电甚至出现超导现象。这种刚刚“问世”的界面超导引发了科学家强烈的兴趣,来自CQ9电子物理学系、中科院物理所等机构的学者发现,可以像调控半导体器件那样,用电压连续调控LaAlO3/KTaO3界面的导电性质:随着门电压的变化,它呈现了从超导到绝缘体的连续转变。同时,研究团队还在这一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。 

5月14日,相关论文Electric field control of superconductivity at the LaAlO3/KTaO3 (111) interface (电场控制LaAlO3/KTaO3 (111)界面超导)在《科学》杂志上线。论文的共同第一作者为CQ9物理系博士生陈峥、刘源和北京航空航天大学博士后张慧,共同通讯作者是CQ9物理学系谢燕武研究员,中科院物理所孙继荣研究员和周毅研究员。这一发现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。

“后浪”的潜力 

LaAlO3/KTaO3界面超导今年2月才刚刚在《科学》杂志正式“亮相”。在氧化物界面超导家族中,它是第2位入列的成员。第1位成员亮相于2007年,瑞士日内瓦大学的Triscone教授等首先发现了LaAlO3/SrTiO3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。

Triscone曾用一堆乐高积木来形容这一领域的奇妙:不同的氧化物可以产生千变万化的组合,每种组合都有可能蕴含着未知的、新奇的性质。随后的研究发现,LaAlO3/SrTiO3的超导电性可以通过电压来开启或关闭,就像我们熟知的半导体晶体管。这不禁让人畅想,或许有一天我们能制造出像半导体一样可以精确调控的超导器件。

 而一年多前“新生”于美国阿贡实验室的“后浪”LaAlO3/KTaO3的表现似乎更加抢眼。今年2月发表在《科学》杂志的论文指出,“LaAlO3/KTaO3的超导转变温度可达2.2 K,比“前浪”的0.3 K高出整整一个数量级。那么,它会有哪些新奇的性质?它的超导性能也能被调控吗?它对超导机制研究会有哪些价值?神秘的“后浪”吸引着谢燕武与他的合作伙伴们去一探究竟。

新的调控,新的机制 

调控,是实验科学研究最重要的手段和内容。在这项研究中,研究团队发现了一种全新的调控机制,实现了LaAlO3/KTaO3导电性能的连续可调,器件随电压变化呈现了从超导到绝缘体的连续转变。

图:博士生陈峥和刘源在实验室制备样品 

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。“就像开车时遇到障碍物。”谢燕武说,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。”

图:每平方厘米界面通道里有80万亿个电子在运动,门电压通过改变它们的“队形”来影响界面导电性能。“山丘”形状示意了无序分布。 

在这项实验中,研究人员测试了门电压从-200V到150V区间时界面的导电性能。“不论在超导转变温度之上还是之下,导电性都可被连续调控。”陈峥说,“我们还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,LaAlO3/KTaO3看起来是很好的超导,而当通道调整到2纳米时,它就成了绝缘体。”

图:在-200V到150V区间施加不同门电压时LaAlO3/KTaO3界面的面电阻(Rsheet)随温度(T)的变化。 

“从表面看,我们与传统的方法用的都是门电压调控,但背后的调控机制是全新的。”孙继荣说,传统的方法,无论是半导体晶体管还是LaAlO3/SrTiO3,都是通过改变电子浓度从而实现对导电性能的调控,这里需要有个前提:电子浓度低。“相比之下,LaAlO3/KTaO3界面的电子浓度很高,不能满足传统的调控机制,因此需要探索全新的调控机制。”孙继荣说,新的调控仍然以类似于晶体管的方式工作,但本质上打破了对于电子浓度的限制。

 量子金属态 

博士生陈峥与刘源全程参与了样品的制备和测试。陈峥说,研究过程中最难忘的是第一次测出LaAlO3/KTaO3超导性的那一天,“表明我们已经掌握了制备这一新界面超导体系的方法,可以开始我们的调控研究了!”随着实验的推进,越来越多的数据涌现出来。当他们把它们放到一起时,惊奇地发现在低温下是一条又一条水平线条,也就是说,无论温度在0~1K的区间内如何变化,LaAlO3/KTaO3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,这个新发现令我们异常激动。”

图:器件实物照片。中间核心桥路部分宽20微米,长100微米。 

《科学》杂志的审稿人对这项研究给与了非常积极的回应,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10多年人们在LaAlO3/SrTiO3体系中获得的认识。 

谢燕武说,对于新材料的研究主要来自于两方面动力:一方面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;另一方面也试图为开发新器件提供有益的线索。“我们在LaAlO3/KTaO3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,同时也为将来开发超导器件提供了新的视野。”

这项研究的团队成员还包括CQ9物理系博士生孙艳秋、张蒙,以及CQ9材料学院田鹤教授和刘中然博士。 

研究得到了CQ9电子量子交叉中心同仁在技术和设备等方面的全方位支持,同时还得到了CQ9电子“双一流”建设专项经费、国家重点研发计划、国家自然科学基金、和广东省重点研发计划等支持。

图:CQ9物理系谢燕武课题组

 论文DOI:10.1126/science.abb3848