浙大团队《科学》再贴！解密电场如何控制氧化物界面超导电性
14年5月相关论文laalo3/ktao3 (111)界面超导的电场控制(电场控制la alo 3/ktao 3(11)界面超导)。论文的第一作者是浙江大学物理系博士生陈正、刘源和北航博士后张辉。通讯作者为浙江大学物理系研究员谢、孙和周毅。这一发现为人们探索低温量子现象提供了全新的视野，也为超导器件的研发提供了新的思路。
“回浪”的潜力
Laalo _ 3/KTAO _ 3界面超导在今年2月刚刚正式出现在《科学》杂志上。它是氧化物界面超导家族中的第二个成员。第1个成员出现在2007年。瑞士日内瓦大学的Triscone教授等人首次发现了LaAlO3/SrTiO3界面的超导性，这标志着一种新的超导体系的诞生:氧化物界面超导。
Triscone用了一堆乐高积木来形容这个领域的奇妙:不同的氧化物可以产生千变万化的组合，每种组合都可能包含未知的新奇性质。随后的研究发现，LaAlO3/SrTiO3的超导性可以通过电压开启或关闭，就像我们熟知的半导体晶体管一样。这不禁让人想象，也许有一天我们可以做出像半导体一样可以精确控制的超导器件。
一年多前美国阿贡实验室的“新生”LaAlO3/KTaO3的表现似乎更为抢眼。今年2月发表在《科学》杂志上的论文指出，“LaAlO3/KTaO3的超导转变温度可以达到2.2 K，比千朗的0.3 K高了整整一个数量级”。那么，它会有哪些新奇的属性呢？它的超导性质也可以调控吗？对超导机制的研究有什么价值？神秘的“回浪”吸引着谢和他的伙伴们一探究竟。
新法规新机制
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新的调控机制，实现了LaAlO3/KTaO3电导率的连续调节，器件随着电压的变化呈现出从超导到绝缘体的连续转变。
博士生陈正和刘源在实验室准备样品。
谢介绍，在低温下，导电电子成对成对形成超导性。目前已知的超导系统有很多，但很少能用电场控制。我们的控制方法的本质是控制电子形成的空间分布，并使它们靠近或远离界面。当大量电子在氧化物界面附近移动时，会受到晶格缺陷(也称无序)的影响。“就像开车遇到了障碍。”谢说，这种“无序”离界面越近越密集，离界面越远越稀疏。基于这种认识，研究团队提出了改变电子空间分布的想法。“如果更多的电子靠近界面，那么从整体上来说，它们会遇到更多的‘障碍’，这将显著影响电子和成对超导库珀对的运动行为。”
每平方厘米有80万亿个电子在界面沟道中移动，栅压通过改变它们的“形成”来影响界面电导率。“山”的形状表示无序分布。
在这个实验中，研究人员测试了栅压在-200V到150V之间时界面的电导率，“无论是在超导转变温度以上还是以下，电导率都可以连续调节。”陈正说，“我们还直接测量了这个电压范围内电子‘形成’空间分布的变化。当导电沟道为6 nm时，LaAlO3/KTaO3看起来像是很好的超导体，但当沟道调整到2 nm时，它就变成了绝缘体。”
当在-200V至150V V范围内施加不同的栅极电压时，LaAlO3/KTaO3界面的表面电阻(Rsheet)随温度(t)的变化
“表面上，我们用传统的方法使用栅极电压调节，但背后的调节机制是全新的。”孙吉荣说，传统的方法，无论是半导体晶体管还是LaAlO _ 3/SrTiO _ 3，都是通过改变电子浓度来调节电导率的，这需要一个前提:低电子浓度。“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，因此有必要探索新的调控机制。”孙说，新规定仍然像晶体管一样工作，但它本质上打破了电子浓度的限制。
量子金属状态
博士生陈正和刘源参与了样品的制备和测试。陈正说，研究过程中最难忘的是第一次测出LaAlO3/KTaO3超导性的那一天。“这表明我们已经掌握了制备这种新的界面超导系统的方法，可以开始我们的调控研究了！”随着实验的推进，越来越多的数据浮出水面。当他们把它们放在一起时，惊奇地发现在低温下有水平线，也就是说，无论温度在0~1K范围内如何变化，LaAlO3/KTaO3界面的电阻几乎总是恒定的。“量子金属是一种新颖的物质量子态，兼具部分超导性和金属特性，是典型的量子金属态。”周毅说，“已知的量子金属态只是在某个量子临界点。这个系统可以连续调控，量子金属在相图上是作为一个相存在的。这个新发现让我们异常兴奋。”
设备的物理照片。中间纤芯的桥接部分宽20微米，长100微米。
《科学》杂志的评论者对这项研究给予了非常积极的回应。他们认为这种完全可调的超导性是一个迷人的突破，研究足够深入，几乎涵盖了过去65，438+00年在LaAlO3/SrTiO3系统中获得的知识。
谢说，对新材料的研究主要来自两个方面:一方面，想通过对新材料的研究，发现新的物理现象，获得更多的科学感悟；另一方面，它也试图为开发新设备提供有用的线索。“我们在LaAlO _ 3/KTAO _ 3体系的研究可以为理解超导机制，特别是高温超导中的机制提供全新的材料，也为未来发展超导器件提供了新的视野。”
这项研究的团队成员还包括浙江大学物理系的博士生孙和，以及浙江大学材料学院的田禾教授和刘忠然博士。
研究得到了浙江大学量子交叉中心同事在技术和设备上的全方位支持，以及浙江大学“双一流”建设专项资金、国家重点R&D计划、国家自然科学基金、浙江省重点R&D计划等。
谢严武，浙江大学物理系
论文doi:10.1126/science . abb 3848。
(原题为《浙大队理科再发帖！解密如何用电场控制氧化物界面超导？编辑张中闻)