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(dǎo)電甚至出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象——今年2月才在《科學(xué)》雜志正式“亮相”的這一發(fā)現(xiàn)，勾起了科學(xué)家持續(xù)探秘的興趣。

近日，浙江大學(xué)物理學(xué)系謝燕武研究員聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院物理所孫繼榮研究員和周毅研究員等學(xué)者發(fā)現(xiàn)，可以像調(diào)控半導(dǎo)體器件那樣，用門(mén)電壓連續(xù)調(diào)控鋁酸鑭/鉭酸鉀界面的導(dǎo)電性質(zhì)：隨著電壓的變化，該界面呈現(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)還在該界面觀測(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。相關(guān)論文5月14日在《科學(xué)》雜志上線。

調(diào)控電子分布 轉(zhuǎn)變氧化物界面超導(dǎo)屬性

2007年，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的崔斯孔(Triscone)教授等首先發(fā)現(xiàn)了鋁酸鑭/鈦酸鍶界面存在超導(dǎo)現(xiàn)象。這標(biāo)志著一類(lèi)新的超導(dǎo)體系的誕生：氧化物界面超導(dǎo)。

“隨后的研究發(fā)現(xiàn)，鋁酸鑭/鈦酸鍶界面的超導(dǎo)電性可以通過(guò)電壓來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉，就像半導(dǎo)體晶體管。”謝燕武說(shuō)，這不禁讓人暢想，或許有一天學(xué)界能制造出像半導(dǎo)體一樣可以精確調(diào)控的超導(dǎo)器件。

本次研究中，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)了鋁酸鑭/鉭酸鉀導(dǎo)電性能的連續(xù)可調(diào)，器件隨電壓變化呈現(xiàn)出從超導(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)。”

大量的電子在氧化物界面附近運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到晶格缺陷(也稱(chēng)為“無(wú)序”)的影響，好比開(kāi)車(chē)時(shí)遇到障礙物。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。”

發(fā)現(xiàn)新線索 觀測(cè)到新奇的量子金屬態(tài)

謝燕武說(shuō)，對(duì)于新材料的研究動(dòng)力主要來(lái)自?xún)煞矫妫阂环矫嫠麄兿胪ㄟ^(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，他們也試圖為開(kāi)發(fā)新器件提供有益的線索。

在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員測(cè)試了門(mén)電壓從-200伏特到150伏特區(qū)間時(shí)界面的導(dǎo)電性能。論文第一作者、浙江大學(xué)物理系博士陳崢說(shuō)：“我們直接測(cè)量了在這一門(mén)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(shí)，鋁酸鑭/鉭酸鉀看起來(lái)是很好的超導(dǎo)體，而當(dāng)通道調(diào)整到2納米時(shí)，它就成了絕緣體。”

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)——無(wú)論溫度在0到1開(kāi)爾文的區(qū)間內(nèi)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(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)。”周毅說(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。

《科學(xué)》雜志的審稿人對(duì)這項(xiàng)研究給予了非常積極的回應(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)去十多年人們?cè)阡X酸鑭/鉭酸鉀體系中獲得的認(rèn)識(shí)。

謝燕武說(shuō)：“我們?cè)阡X酸鑭/鉭酸鉀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，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。”(洪恒飛 周煒 江耘)