加點電壓，這種超導體變身絕緣體 觀測到新奇的量子金屬態

鋁酸鑭和鉭酸鉀原本是兩種絕緣體，但組合在一起，界面就能導電甚至出現超導現象——今年2月才在《科學》雜志正式“亮相”的這一發現，勾起了科學家持續探秘的興趣。

近日，浙江大學物理學系謝燕武研究員聯合中國科學院物理所孫繼榮研究員和周毅研究員等學者發現，可以像調控半導體器件那樣，用門電壓連續調控鋁酸鑭/鉭酸鉀界面的導電性質：隨著電壓的變化，該界面呈現了從超導到絕緣體的連續轉變。同時，研究團隊還在該界面觀測到了可被連續調控的量子金屬態等許多新奇的物理現象。相關論文5月14日在《科學》雜志上線。

調控電子分布 轉變氧化物界面超導屬性

2007年，瑞士日內瓦大學的崔斯孔(Triscone)教授等首先發現了鋁酸鑭/鈦酸鍶界面存在超導現象。這標志著一類新的超導體系的誕生：氧化物界面超導。

“隨后的研究發現，鋁酸鑭/鈦酸鍶界面的超導電性可以通過電壓來開啟或關閉，就像半導體晶體管。”謝燕武說，這不禁讓人暢想，或許有一天學界能制造出像半導體一樣可以精確調控的超導器件。

本次研究中，研究團隊發現了一種全新的調控機制，實現了鋁酸鑭/鉭酸鉀導電性能的連續可調，器件隨電壓變化呈現出從超導到絕緣體的連續轉變。

謝燕武介紹，導電電子在低溫下兩兩配對，就會形成超導，目前已知的超導體系已經非常多，但能被電場調控的鳳毛麟角。“我們的調控方法本質就是調控電子‘隊形’的空間分布，讓它們在更靠近或更遠離界面的地方運動。”

大量的電子在氧化物界面附近運動時，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，越遠離界面則越稀疏。

基于這一認識，研究團隊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庫珀對的運動行為。”

發現新線索 觀測到新奇的量子金屬態

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現新的物理現象，獲得更多的科學見解;另一方面，他們也試圖為開發新器件提供有益的線索。

在這項實驗中，研究人員測試了門電壓從-200伏特到150伏特區間時界面的導電性能。論文第一作者、浙江大學物理系博士陳崢說：“我們直接測量了在這一門電壓區間電子‘隊形’空間分布的變化，當導電通道在6納米時，鋁酸鑭/鉭酸鉀看起來是很好的超導體，而當通道調整到2納米時，它就成了絕緣體。”

隨著實驗的推進，越來越多的數據涌現出來——無論溫度在0到1開爾文的區間內如何變化，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和金屬特性的新奇量子物態，這是一種典型的量子金屬態。”周毅說，已知的量子金屬態都只處于某個量子臨界點上。而這個系統可以連續調控，量子金屬作為相圖上一個物相的形式存在。

《科學》雜志的審稿人對這項研究給予了非常積極的回應。他們認為，這種完全可調的超導性是一項引人入勝的突破，該項研究充分深入，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機制，尤其是理解高溫超導中的機制提供全新的素材，為人們探索低溫量子現象呈現了一個嶄新的視野，也為超導器件的研發提供了新的思路。”(江 耘)