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    加点电压,这种超导体变身绝缘体

    日期 2020-05-20   来源:新华网 来源:科技日报   作者:洪恒飞 周炜 记者 江耘  【 】   【打印】   【关闭

      铝酸镧(lan)和(he)钽(tan)酸钾原本是两(liang)种绝缘体,但(dan)组合在一起(qi),界面(mian)就能导(dao)电甚至出现(xian)超导(dao)现(xian)象——今(jin)年2月才在《科学(xue)》杂志正式(shi)“亮(liang)相”的这一发现(xian),勾起(qi)了(le)科学(xue)家持续(xu)探秘的兴趣。

     

      近(jin)日,浙江大学(xue)物(wu)理学(xue)系谢燕武研(yan)(yan)究(jiu)员(yuan)联(lian)合中国科学(xue)院物(wu)理所孙继荣研(yan)(yan)究(jiu)员(yuan)和周(zhou)毅(yi)研(yan)(yan)究(jiu)员(yuan)等学(xue)者发现(xian)(xian),可以像(xiang)调(diao)控半导体器(qi)件那样,用门电(dian)(dian)压(ya)连续调(diao)控铝酸(suan)镧/钽酸(suan)钾界面(mian)的(de)(de)导电(dian)(dian)性质:随着(zhe)电(dian)(dian)压(ya)的(de)(de)变化,该界面(mian)呈现(xian)(xian)了从超导到绝缘体的(de)(de)连续转变。同时(shi),研(yan)(yan)究(jiu)团队还在(zai)该界面(mian)观测到了可被连续调(diao)控的(de)(de)量子金属态(tai)等许(xu)多新奇的(de)(de)物(wu)理现(xian)(xian)象。相(xiang)关(guan)论文5月(yue)14日在(zai)《科学(xue)》杂(za)志上(shang)线。

     

      调控电子分布 转变氧化物界面超导属性

     

      2007年,瑞士日(ri)内瓦大学的(de)(de)崔(cui)斯孔(Triscone)教授等首先发现了铝(lv)酸(suan)镧(lan)/钛(tai)酸(suan)锶界面存(cun)在超(chao)导现象。这标志着(zhe)一类(lei)新的(de)(de)超(chao)导体系的(de)(de)诞生:氧化物界面超(chao)导。

     

      “随后的(de)研究发现(xian),铝酸镧/钛酸锶界(jie)面的(de)超导(dao)电性可(ke)以通过电压来(lai)开启或(huo)(huo)关(guan)闭,就(jiu)像(xiang)(xiang)半(ban)导(dao)体(ti)晶体(ti)管(guan)。”谢燕武(wu)说,这不禁让人畅想,或(huo)(huo)许(xu)有一天学界(jie)能制造(zao)出像(xiang)(xiang)半(ban)导(dao)体(ti)一样可(ke)以精确调控的(de)超导(dao)器件。

     

      本次(ci)研(yan)究(jiu)中,研(yan)究(jiu)团队发现(xian)了一种全新(xin)的调控机制,实现(xian)了铝(lv)酸镧/钽(tan)酸钾导电性能的连续可(ke)调,器件随电压(ya)变(bian)化呈现(xian)出从超导到绝缘(yuan)体的连续转变(bian)。

     

      谢燕武介绍,导(dao)电(dian)电(dian)子在低温下(xia)两(liang)两(liang)配对,就会形成(cheng)超导(dao),目(mu)前已(yi)知的(de)超导(dao)体系已(yi)经非常(chang)多,但能被电(dian)场(chang)调(diao)控的(de)凤(feng)毛麟角。“我们(men)的(de)调(diao)控方法本质就是(shi)调(diao)控电(dian)子‘队形’的(de)空(kong)间分布,让它们(men)在更(geng)靠近或更(geng)远离界面的(de)地方运动。”

     

      大量的电子在氧化物(wu)界(jie)面附近(jin)运动时,会受到(dao)晶格缺陷(xian)(也称为“无序”)的影(ying)响,好比开车时遇到(dao)障碍物(wu)。这种“无序”越贴近(jin)界(jie)面分(fen)布越密集,越远离界(jie)面则越稀疏。

     

      基(ji)于这(zhei)一(yi)认识,研究(jiu)团队提出了改变(bian)电子(zi)空间分布的(de)(de)思路(lu)。“如果有更(geng)多(duo)(duo)的(de)(de)电子(zi)靠(kao)近界面(mian),那么整体来看(kan),它们遇到的(de)(de)‘障碍物’就(jiu)变(bian)多(duo)(duo)了,这(zhei)会(hui)显著(zhu)影响(xiang)电子(zi)以及配对后的(de)(de)超导库(ku)珀对的(de)(de)运(yun)动行为。”

     

      发现新线索 观测到新奇的量子金属态

     

      谢燕武说(shuo),对于新材料的(de)(de)研(yan)究动(dong)力主(zhu)要来(lai)自两方面(mian):一方面(mian)他们想通过新材料的(de)(de)研(yan)究来(lai)发现新的(de)(de)物理(li)现象,获(huo)得更多的(de)(de)科学见解;另一方面(mian),他们也试图(tu)为开发新器件(jian)提供(gong)有益的(de)(de)线索。

     

      在(zai)这(zhei)项实验中,研究人员测(ce)试了(le)门(men)电(dian)压从-200伏特(te)到150伏特(te)区(qu)间时界面的(de)(de)(de)导电(dian)性能(neng)。论文第(di)一(yi)作者、浙(zhe)江大学物理系博士陈(chen)峥说:“我们(men)直接(jie)测(ce)量了(le)在(zai)这(zhei)一(yi)门(men)电(dian)压区(qu)间电(dian)子(zi)‘队形’空间分布的(de)(de)(de)变化(hua),当(dang)(dang)导电(dian)通道在(zai)6纳米(mi)时,铝酸镧/钽酸钾看起来(lai)是很好的(de)(de)(de)超(chao)导体(ti),而当(dang)(dang)通道调整到2纳米(mi)时,它(ta)就成了(le)绝缘(yuan)体(ti)。”

     

      随着实(shi)验的(de)(de)推进,越(yue)来(lai)越(yue)多(duo)的(de)(de)数据涌现(xian)出来(lai)——无(wu)论温(wen)度在(zai)0到1开尔文的(de)(de)区间内(nei)如何(he)变化,铝(lv)酸镧/钽酸钾界面的(de)(de)电(dian)阻几乎始终是恒定的(de)(de)。

     

      “量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)金属(shu)(shu)是同时具(ju)有部分超导和(he)金属(shu)(shu)特性的(de)(de)新奇(qi)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)物态(tai)(tai),这是一(yi)种典(dian)型的(de)(de)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)金属(shu)(shu)态(tai)(tai)。”周(zhou)毅说,已知的(de)(de)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)金属(shu)(shu)态(tai)(tai)都(dou)只处于某个(ge)量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)临界点上。而(er)这个(ge)系统(tong)可以连续调控(kong),量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)金属(shu)(shu)作为相(xiang)图上一(yi)个(ge)物相(xiang)的(de)(de)形(xing)式存在。

     

      《科(ke)学》杂(za)志的(de)(de)审稿人(ren)对这(zhei)项研究给予了非常积极的(de)(de)回应。他们认为,这(zhei)种完全可调的(de)(de)超导性(xing)是一(yi)项引人(ren)入(ru)胜的(de)(de)突破,该项研究充(chong)分深入(ru),几乎覆盖了过去十多年(nian)人(ren)们在(zai)铝酸(suan)镧/钽酸(suan)钾体系中获得的(de)(de)认识。

     

      谢燕武(wu)说:“我(wo)们(men)在铝酸(suan)镧/钽酸(suan)钾体系(xi)中的(de)研究可为(wei)理解超导(dao)机制,尤其是理解高(gao)温(wen)超导(dao)中的(de)机制提供全新的(de)素材,为(wei)人们(men)探索(suo)低温(wen)量(liang)子(zi)现(xian)象(xiang)呈现(xian)了一个崭新的(de)视野,也(ye)为(wei)超导(dao)器件的(de)研发提供了新的(de)思路。”




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