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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

      铝酸镧和钽酸钾原本是两种绝(jue)缘体,但组合在一起,界(jie)面(mian)就能导电甚至(zhi)出现超导现象——今年2月(yue)才在《科(ke)学(xue)》杂志正式(shi)“亮相”的(de)这一发现,勾起了科(ke)学(xue)家持续探(tan)秘的(de)兴(xing)趣。

     

      近日,浙江(jiang)大学(xue)(xue)物(wu)理(li)学(xue)(xue)系谢燕武(wu)研究(jiu)员(yuan)联合中国科(ke)学(xue)(xue)院物(wu)理(li)所孙继(ji)荣研究(jiu)员(yuan)和周毅研究(jiu)员(yuan)等学(xue)(xue)者发(fa)现,可以像(xiang)调控(kong)半导体器件那样,用门电(dian)压(ya)连续调控(kong)铝酸镧(lan)/钽(tan)酸钾界(jie)面的(de)导电(dian)性质(zhi):随(sui)着电(dian)压(ya)的(de)变(bian)化,该(gai)界(jie)面呈现了从(cong)超(chao)导到绝缘(yuan)体的(de)连续转变(bian)。同时,研究(jiu)团队(dui)还(hai)在该(gai)界(jie)面观测到了可被连续调控(kong)的(de)量子金属态等许多新奇的(de)物(wu)理(li)现象。相关论文5月14日在《科(ke)学(xue)(xue)》杂志(zhi)上线(xian)。

     

      调控电子分布 转变氧化物界面超导属性

     

      2007年,瑞士(shi)日内瓦大(da)学的崔斯(si)孔(Triscone)教授等首先发现了铝(lv)酸镧/钛酸锶(si)界(jie)面(mian)(mian)存在超导现象。这标志着一类新的超导体系的诞(dan)生(sheng):氧化物界(jie)面(mian)(mian)超导。

     

      “随后(hou)的(de)研究发(fa)现,铝酸镧(lan)/钛(tai)酸锶界面(mian)的(de)超导电性可以通过电压(ya)来开启或(huo)关闭,就像半导体晶体管。”谢(xie)燕武说,这不禁让人畅想,或(huo)许有一(yi)(yi)天学界能制造(zao)出像半导体一(yi)(yi)样可以精确调控的(de)超导器件。

     

      本次研究(jiu)中,研究(jiu)团队(dui)发现(xian)了一种全新的(de)调控(kong)机制,实现(xian)了铝酸镧(lan)/钽酸钾导电性能的(de)连续可调,器件随(sui)电压变化呈现(xian)出从超导到绝缘(yuan)体的(de)连续转变。

     

      谢(xie)燕武介绍,导(dao)电电子在低温下两两配对(dui),就(jiu)会形成超导(dao),目前已知的(de)(de)超导(dao)体系已经非常多,但能被电场调控(kong)的(de)(de)凤(feng)毛麟角。“我们(men)的(de)(de)调控(kong)方法本质(zhi)就(jiu)是(shi)调控(kong)电子‘队(dui)形’的(de)(de)空间分布,让它(ta)们(men)在更靠近或(huo)更远离界(jie)面(mian)的(de)(de)地方运动(dong)。”

     

      大量(liang)的电子在氧(yang)化物(wu)界面(mian)附近(jin)运动时,会受到晶(jing)格缺陷(也称(cheng)为“无序”)的影响,好比(bi)开车时遇到障碍物(wu)。这种“无序”越(yue)(yue)(yue)贴近(jin)界面(mian)分布越(yue)(yue)(yue)密集,越(yue)(yue)(yue)远离界面(mian)则越(yue)(yue)(yue)稀疏。

     

      基于这一(yi)认识,研究团队提出(chu)了改变电子(zi)空间分(fen)布的(de)思路。“如果有更(geng)多的(de)电子(zi)靠近界面,那(nei)么整体来(lai)看(kan),它们遇到的(de)‘障碍物(wu)’就变多了,这会显(xian)著影响电子(zi)以及(ji)配对后的(de)超导库(ku)珀(po)对的(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,对(dui)于新(xin)材料的(de)研(yan)究动力主要(yao)来自两方(fang)面(mian):一(yi)方(fang)面(mian)他(ta)们(men)想(xiang)通过新(xin)材料的(de)研(yan)究来发现新(xin)的(de)物(wu)理(li)现象,获(huo)得更多的(de)科学见解(jie);另(ling)一(yi)方(fang)面(mian),他(ta)们(men)也(ye)试图为(wei)开发新(xin)器件提供有(you)益的(de)线索。

     

      在(zai)这项实(shi)验中,研究人员测(ce)试了(le)(le)门(men)电(dian)(dian)(dian)压从-200伏特(te)(te)到(dao)150伏特(te)(te)区间(jian)时界面的导(dao)电(dian)(dian)(dian)性能。论文第(di)一(yi)(yi)作者(zhe)、浙江大学物(wu)理(li)系博士陈峥说(shuo):“我们(men)直接(jie)测(ce)量(liang)了(le)(le)在(zai)这一(yi)(yi)门(men)电(dian)(dian)(dian)压区间(jian)电(dian)(dian)(dian)子(zi)‘队形(xing)’空间(jian)分布的变化,当导(dao)电(dian)(dian)(dian)通道在(zai)6纳(na)米(mi)时,铝酸镧/钽酸钾看起来是很好(hao)的超导(dao)体,而当通道调整到(dao)2纳(na)米(mi)时,它就成了(le)(le)绝缘(yuan)体。”

     

      随着实验的推(tui)进,越来越多的数据涌现出(chu)来——无(wu)论温度在(zai)0到1开(kai)尔文的区间内如何变化,铝酸镧(lan)/钽酸钾界(jie)面(mian)的电阻几(ji)乎始(shi)终是恒定的。

     

      “量(liang)(liang)子金(jin)属(shu)(shu)是(shi)同时具有(you)部分超(chao)导和(he)金(jin)属(shu)(shu)特(te)性(xing)的(de)新奇量(liang)(liang)子物(wu)态(tai)(tai),这是(shi)一种典型(xing)的(de)量(liang)(liang)子金(jin)属(shu)(shu)态(tai)(tai)。”周毅说,已知的(de)量(liang)(liang)子金(jin)属(shu)(shu)态(tai)(tai)都只处于某(mou)个(ge)量(liang)(liang)子临(lin)界点上。而(er)这个(ge)系(xi)统可以连续调控,量(liang)(liang)子金(jin)属(shu)(shu)作(zuo)为相图上一个(ge)物(wu)相的(de)形式(shi)存在。

     

      《科学》杂志的审稿(gao)人(ren)对这项研(yan)究给予了非(fei)常(chang)积(ji)极的回应。他们(men)认(ren)为,这种(zhong)完全可调(diao)的超导(dao)性是一项引人(ren)入胜的突破,该项研(yan)究充分深入,几乎覆盖了过去十多年人(ren)们(men)在铝酸镧/钽酸钾体系中获(huo)得(de)的认(ren)识(shi)。

     

      谢燕武(wu)说:“我们(men)在铝酸(suan)镧/钽酸(suan)钾体系中(zhong)的研究可为(wei)理解(jie)超(chao)导(dao)机(ji)制,尤(you)其是理解(jie)高温(wen)超(chao)导(dao)中(zhong)的机(ji)制提(ti)供(gong)(gong)全新的素材,为(wei)人们(men)探(tan)索低温(wen)量子现象呈现了一个(ge)崭新的视野,也为(wei)超(chao)导(dao)器件的研发提(ti)供(gong)(gong)了新的思路(lu)。”




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