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加點(diǎn)電壓
，這種超導(dǎo)體變身絕緣體觀測到新奇的量子金屬態(tài)

2021-05-20 16:07:20來源：科技日報(bào)

鋁酸鑭和鉭酸鉀原本是兩種絕緣體，但組合在一起

，界面就能導(dǎo)電甚至出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象——今年2月才在《科學(xué)》雜志正式“亮相”的這一發(fā)現(xiàn)

，勾起了科學(xué)家持續(xù)探秘的興趣。

近日

，浙江大學(xué)物理學(xué)系謝燕武研究員聯(lián)合中國科學(xué)院物理所孫繼榮研究員和周毅研究員等學(xué)者發(fā)現(xiàn)

，可以像調(diào)控半導(dǎo)體器件那樣

，用門電壓連續(xù)調(diào)控鋁酸鑭/鉭酸鉀界面的導(dǎo)電性質(zhì)：隨著電壓的變化，該界面呈現(xiàn)了從超導(dǎo)到絕緣體的連續(xù)轉(zhuǎn)變

。同時

，研究團(tuán)隊(duì)還在該界面觀測到了可被連續(xù)調(diào)控的量子金屬態(tài)等許多新奇的物理現(xiàn)象。相關(guān)論文5月14日在《科學(xué)》雜志上線

。

調(diào)控電子分布轉(zhuǎn)變氧化物界面超導(dǎo)屬性

2007年

，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的崔斯孔(Triscone)教授等首先發(fā)現(xiàn)了鋁酸鑭/鈦酸鍶界面存在超導(dǎo)現(xiàn)象。這標(biāo)志著一類新的超導(dǎo)體系的誕生：氧化物界面超導(dǎo)

。

“隨后的研究發(fā)現(xiàn)

，鋁酸鑭/鈦酸鍶界面的超導(dǎo)電性可以通過電壓來開啟或關(guān)閉，就像半導(dǎo)體晶體管

。”謝燕武說

，這不禁讓人暢想，或許有一天學(xué)界能制造出像半導(dǎo)體一樣可以精確調(diào)控的超導(dǎo)器件

。

本次研究中

，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種全新的調(diào)控機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了鋁酸鑭/鉭酸鉀導(dǎo)電性能的連續(xù)可調(diào)

，器件隨電壓變化呈現(xiàn)出從超導(dǎo)到絕緣體的連續(xù)轉(zhuǎn)變

。

謝燕武介紹，導(dǎo)電電子在低溫下兩兩配對

，就會形成超導(dǎo)

，目前已知的超導(dǎo)體系已經(jīng)非常多，但能被電場調(diào)控的鳳毛麟角

。“我們的調(diào)控方法本質(zhì)就是調(diào)控電子‘隊(duì)形’的空間分布

，讓它們在更靠近或更遠(yuǎn)離界面的地方運(yùn)動。”

大量的電子在氧化物界面附近運(yùn)動時

，會受到晶格缺陷(也稱為“無序”)的影響

，好比開車時遇到障礙物。這種“無序”越貼近界面分布越密集

，越遠(yuǎn)離界面則越稀疏

。

基于這一認(rèn)識，研究團(tuán)隊(duì)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(dǎo)庫珀對的運(yùn)動行為

。”

發(fā)現(xiàn)新線索觀測到新奇的量子金屬態(tài)

謝燕武說，對于新材料的研究動力主要來自兩方面：一方面他們想通過新材料的研究來發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，獲得更多的科學(xué)見解;另一方面

，他們也試圖為開發(fā)新器件提供有益的線索

。

在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員測試了門電壓從-200伏特到150伏特區(qū)間時界面的導(dǎo)電性能

。論文第一作者

、浙江大學(xué)物理系博士陳崢說：“我們直接測量了在這一門電壓區(qū)間電子‘隊(duì)形’空間分布的變化，當(dāng)導(dǎo)電通道在6納米時

，鋁酸鑭/鉭酸鉀看起來是很好的超導(dǎo)體

，而當(dāng)通道調(diào)整到2納米時，它就成了絕緣體

。”

隨著實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)

，越來越多的數(shù)據(jù)涌現(xiàn)出來——無論溫度在0到1開爾文的區(qū)間內(nèi)如何變化，鋁酸鑭/鉭酸鉀界面的電阻幾乎始終是恒定的

。

“量子金屬是同時具有部分超導(dǎo)和金屬特性的新奇量子物態(tài)

，這是一種典型的量子金屬態(tài)。”周毅說

，已知的量子金屬態(tài)都只處于某個量子臨界點(diǎn)上

。而這個系統(tǒng)可以連續(xù)調(diào)控，量子金屬作為相圖上一個物相的形式存在

。

《科學(xué)》雜志的審稿人對這項(xiàng)研究給予了非常積極的回應(yīng)。他們認(rèn)為

，這種完全可調(diào)的超導(dǎo)性是一項(xiàng)引人入勝的突破

，該項(xiàng)研究充分深入，幾乎覆蓋了過去十多年人們在鋁酸鑭/鉭酸鉀體系中獲得的認(rèn)識

。

謝燕武說：“我們在鋁酸鑭/鉭酸鉀體系中的研究可為理解超導(dǎo)機(jī)制

，尤其是理解高溫超導(dǎo)中的機(jī)制提供全新的素材，為人們探索低溫量子現(xiàn)象呈現(xiàn)了一個嶄新的視野

，也為超導(dǎo)器件的研發(fā)提供了新的思路

。”(江耘)

責(zé)任編輯：孫知兵

關(guān)鍵詞：電壓超導(dǎo)體絕緣體量子

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