鋁酸鑭（LaAlO3）和鉭酸鉀（KTaO3）是兩種絕緣體，但當(dāng)它們組合在一起時，界面就能導(dǎo)電甚至出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。這種剛剛“問世”的界面超導(dǎo)引發(fā)了科學(xué)家強(qiáng)烈的興趣，來自浙江大學(xué)物理學(xué)系、中科院物理所等機(jī)構(gòu)的學(xué)者發(fā)現(xiàn)，可以像調(diào)控半導(dǎo)體器件那樣，用電壓連續(xù)調(diào)控LaAlO3/KTaO3界面的導(dǎo)電性質(zhì)：隨著門電壓的變化，它呈現(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)還在這一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。
5月14日，相關(guān)論文Electric field control of superconductivity at the LaAlO3/KTaO3 (111) interface （電場控制LaAlO3/KTaO3 (111)界面超導(dǎo)）在《科學(xué)》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(xué)博士后張慧，共同通訊作者是浙大物理學(xué)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(fā)現(xiàn)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。
“后浪”的潛力
LaAlO3/KTaO3界面超導(dǎo)今年2月才剛剛在《科學(xué)》雜志正式“亮相”。在氧化物界面超導(dǎo)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(nèi)瓦大學(xué)的Triscone教授等首先發(fā)現(xiàn)了LaAlO3/SrTiO3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)。
Triscone曾用一堆樂高積木來形容這一領(lǐng)域的奇妙：不同的氧化物可以產(chǎn)生千變?nèi)f化的組合，每種組合都有可能蘊(yùn)含著未知的、新奇的性質(zhì)。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，LaAlO3/SrTiO3的超導(dǎo)電性可以通過電壓來開啟或關(guān)閉，就像我們熟知的半導(dǎo)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(dǎo)體一樣可以精確調(diào)控的超導(dǎo)器件。
而一年多前“新生”于美國阿貢實(shí)驗(yàn)室的“后浪”LaAlO3/KTaO3的表現(xiàn)似乎更加搶眼。今年2月發(fā)表在《科學(xué)》雜志的論文指出，“LaAlO3/KTaO3的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可達(dá)2.2 K，比“前浪”的0.3 K高出整整一個數(shù)量級。那么，它會有哪些新奇的性質(zhì)？它的超導(dǎo)性能也能被調(diào)控嗎？它對超導(dǎo)機(jī)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?nèi)ヒ惶骄烤埂?/span>
新的調(diào)控，新的機(jī)制
調(diào)控，是實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究最重要的手段和內(nèi)容。在這項(xiàng)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LaAlO3/KTaO3導(dǎo)電性能的連續(xù)可調(diào)，器件隨電壓變化呈現(xiàn)了從超導(dǎo)到絕緣體的連續(xù)轉(zhuǎn)變。
圖：博士生陳崢和劉源在實(shí)驗(yàn)室制備樣品
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?！贝罅康碾娮釉谘趸锝缑娓浇\(yùn)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(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?！?/p>
圖：每平方厘米界面通道里有80萬億個電子在運(yùn)動，門電壓通過改變它們的“隊(duì)形”來影響界面導(dǎo)電性能。“山丘”形狀示意了無序分布。
在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員測試了門電壓從-200V到150V區(qū)間時界面的導(dǎo)電性能?！安徽撛诔瑢?dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之上還是之下，導(dǎo)電性都可被連續(xù)調(diào)控?！标悕樥f，“我們還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，LaAlO3/KTaO3看起來是很好的超導(dǎo)，而當(dāng)通道調(diào)整到2納米時，它就成了絕緣體。”
圖：在-200V到150V區(qū)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(tǒng)的方法用的都是門電壓調(diào)控，但背后的調(diào)控機(jī)制是全新的。”孫繼榮說，傳統(tǒng)的方法，無論是半導(dǎo)體晶體管還是LaAlO3/SrTiO3，都是通過改變電子濃度從而實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)電性能的調(diào)控，這里需要有個前提：電子濃度低?！跋啾戎拢琇aAlO3/KTaO3界面的電子濃度很高，不能滿足傳統(tǒng)的調(diào)控機(jī)制，因此需要探索全新的調(diào)控機(jī)制。”孫繼榮說，新的調(diào)控仍然以類似于晶體管的方式工作，但本質(zhì)上打破了對于電子濃度的限制。
量子金屬態(tài)
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(dǎo)性的那一天，“表明我們已經(jīng)掌握了制備這一新界面超導(dǎo)體系的方法，可以開始我們的調(diào)控研究了！”隨著實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)，越來越多的數(shù)據(jù)涌現(xiàn)出來。當(dāng)他們把它們放到一起時，驚奇地發(fā)現(xiàn)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(qū)間內(nèi)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(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)?！敝芤阏f，“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，這個新發(fā)現(xiàn)令我們異常激動?！?/p>
圖：器件實(shí)物照片。中間核心橋路部分寬20微米，長100微米。
《科學(xué)》雜志的審稿人對這項(xiàng)研究給與了非常積極的回應(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10多年人們在LaAlO3/SrTiO3體系中獲得的認(rèn)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(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，獲得更多的科學(xué)見解；另一方面也試圖為開發(fā)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(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，同時也為將來開發(fā)超導(dǎo)器件提供了新的視野?！?/p>
這項(xiàng)研究的團(tuán)隊(duì)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(xué)院田鶴教授和劉中然博士。
研究得到了浙江大學(xué)量子交叉中心同仁在技術(shù)和設(shè)備等方面的全方位支持，同時還得到了浙江大學(xué)“雙一流”建設(shè)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、和浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等支持。
圖：浙大物理系謝燕武課題組
論文DOI:10.1126/science.abb3848
