鋁酸鑭（LaAlO3）和鉭酸鉀（KTaO3）是兩種絕緣體，但當它們組合在一起時，界面就能導電甚至出現(xiàn)超導現(xiàn)象。這種剛剛“問世”的界面超導引發(fā)了科學家強烈的興趣，來自浙江大學物理學系、中科院物理研究所等機構的學者發(fā)現(xiàn)，可以像調(diào)控半導體器件那樣，用電壓連續(xù)調(diào)控LaAlO3/KTaO3界面的導電性質(zhì)：隨著門電壓的變化，它呈現(xiàn)了從超導到絕緣體的連續(xù)轉(zhuǎn)變。同時，研究團隊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，成果論文《電場控制LaAlO3/KTaO3(111)界面超導》在《科學》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)了一個嶄新的視野，也為超導器件的研發(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博士后張慧，共同通訊作者是浙大物理學系研究員謝燕武，中科院物理所研究員孫繼榮和周毅。

　　新的調(diào)控，新的機制

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

　　今年2月發(fā)表在《科學》雜志的論文指出，“LaAlO3/KTaO3的超導轉(zhuǎn)變溫度可達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)？它的超導性能也能被調(diào)控嗎？它對超導機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?/p>

　　調(diào)控，是實驗科學研究最重要的手段和內(nèi)容。在這項研究中，研究團隊發(fā)現(xiàn)了一種全新的調(diào)控機制，實現(xiàn)了LaAlO3/KTaO3導電性能的連續(xù)可調(diào)，器件隨電壓變化呈現(xiàn)了從超導到絕緣體的連續(xù)轉(zhuǎn)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(jīng)非常多，但能被電場調(diào)控的鳳毛麟角?！啊蔽覀兊恼{(diào)控方法本質(zhì)就是調(diào)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?！贝罅康碾娮釉谘趸锝缑娓浇\動時，會受到晶格缺陷（也稱為“無序”）的影響。

　　“就像開車時遇到障礙物。”謝燕武說。這種“無序”越貼近界面分布越密集，越遠離界面則越稀疏?；谶@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?！?/p>

　　“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)控機制是全新的?！睂O繼榮說，傳統(tǒng)的方法，無論是半導體晶體管還是LaAlO3/SrTiO3，都是通過改變電子濃度從而實現(xiàn)對導電性能的調(diào)控，這里需要有個前提：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)控機制，因此需要探索全新的調(diào)控機制?！睂O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。

　　為開發(fā)超導器件提供新視野

　　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超導性的那一天，“表明我們已經(jīng)掌握了制備這一新界面超導體系的方法，可以開始我們的調(diào)控研究了！”隨著實驗的推進，越來越多的數(shù)據(jù)涌現(xiàn)出來。當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。

　　“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(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>

　　《科學》雜志的審稿人對這項研究給與了非常積極的回應，他們認為，這種完全可調(diào)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10多年人們在LaAlO3/SrTiO3體系中獲得的認識。

　　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，獲得更多的科學見解；另一方面也試圖為開發(fā)新器件提供有益的線索。

　　“我們在LaAlO3/KTaO3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，同時也為將來開發(fā)超導器件提供了新的視野?！?/p>

　　研究得到了浙江大學量子交叉中心同仁在技術和設備等方面的全方位支持，同時還得到了浙江大學“雙一流”建設專項經(jīng)費、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、和浙江省重點研發(fā)計劃等支持。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abb3848

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