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(shí)，界面就能導(dǎo)電甚至出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。這種剛剛“問(wèn)世”的界面超導(dǎo)引發(fā)了科學(xué)家強(qiáng)烈的興趣，來(lái)自浙江大學(xué)物理學(xué)系、中科院物理研究所等機(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(mén)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(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還在這一界面觀測(cè)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，成果論文《電場(chǎng)控制LaAlO3/KTaO3(111)界面超導(dǎo)》在《科學(xué)》雜志上線。這一發(fā)現(xiàn)為人們探索低溫量子現(xiàn)象呈現(xiàn)了一個(gè)嶄新的視野，也為超導(dǎo)器件的研發(fā)提供了新的思路。

　　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)系研究員謝燕武，中科院物理所研究員孫繼榮和周毅。

　　新的調(diào)控，新的機(jī)制

　　LaAlO3/KTaO3界面超導(dǎo)今年2月才剛剛在《科學(xué)》雜志正式“亮相”。

　　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(gè)數(shù)量級(jí)。那么，它會(huì)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(duì)超導(dǎo)機(jī)制研究會(huì)有哪些價(jià)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?/p>

　　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。

　　謝燕武介紹，導(dǎo)電電子在低溫下兩兩配對(duì)，就會(huì)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(chǎng)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?cè)诟拷蚋h(yuǎn)離界面的地方運(yùn)動(dòng)?！贝罅康碾娮釉谘趸锝缑娓浇\(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到晶格缺陷（也稱為“無(wú)序”）的影響。

　　“就像開(kāi)車(chē)時(shí)遇到障礙物。”謝燕武說(shuō)。這種“無(wú)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(shí)，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(lái)看它們遇到的‘障礙物’就變多了，這會(huì)顯著影響電子以及配對(duì)后的超導(dǎo)庫(kù)珀對(duì)的運(yùn)動(dòng)行為?！?/p>

　　“從表面看，我們與傳統(tǒng)的方法用的都是門(mén)電壓調(diào)控，但背后的調(diào)控機(jī)制是全新的?！睂O繼榮說(shuō)，傳統(tǒng)的方法，無(wú)論是半導(dǎo)體晶體管還是LaAlO3/SrTiO3，都是通過(guò)改變電子濃度從而實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)電性能的調(diào)控，這里需要有個(gè)前提：電子濃度低。

　　“相比之下，LaAlO3/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?！睂O繼榮說(shuō)，新的調(diào)控仍然以類(lèi)似于晶體管的方式工作，但本質(zhì)上打破了對(duì)于電子濃度的限制。

　　為開(kāi)發(fā)超導(dǎo)器件提供新視野

　　陳崢與劉源全程參與了樣品的制備和測(cè)試。陳崢說(shuō)，研究過(guò)程中最難忘的是第一次測(cè)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(kāi)始我們的調(diào)控研究了！”隨著實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)涌現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)他們把它們放到一起時(shí)，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(shuō)，無(wú)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。

　　“量子金屬是同時(shí)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(shuō)，“已知的量子金屬態(tài)都只處于某個(gè)量子臨界點(diǎn)上。而這個(gè)系統(tǒng)可以連續(xù)調(diào)控，量子金屬作為相圖上一個(gè)物相的形式存在，這個(gè)新發(fā)現(xiàn)令我們異常激動(dòng)?！?/p>

　　《科學(xué)》雜志的審稿人對(duì)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(guò)去10多年人們?cè)贚aAlO3/SrTiO3體系中獲得的認(rèn)識(shí)。

　　謝燕武說(shuō)，對(duì)于新材料的研究主要來(lái)自于兩方面動(dòng)力：一方面想通過(guò)新材料的研究來(lái)發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，獲得更多的科學(xué)見(jiàn)解；另一方面也試圖為開(kāi)發(fā)新器件提供有益的線索。

　　“我們?cè)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(shí)也為將來(lái)開(kāi)發(fā)超導(dǎo)器件提供了新的視野?！?/p>

　　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(shí)還得到了浙江大學(xué)“雙一流”建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、和浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等支持。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abb3848

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