超导项目研究论文

铝酸镧（LaAlO3）和钽酸钾（KTaO3）是两种绝缘体，但当它们组合在一起时，界面就能导电甚至出现超导现象。这种刚刚“问世”的界面超导引发了科学家强烈的兴趣，来自浙江大学物理学系、中科院物理所等机构的学者发现，可以像调控半导体器件那样，用电压连续调控LaAlO3/KTaO3界面的导电性质：随着门电压的变化，它呈现了从超导到绝缘体的连续转变。同时，研究团队还在这一界面观测到了可被连续调控的量子金属态等许多新奇的物理现象。

5月14日，相关论文Electric field control of superconductivity at the LaAlO3/KTaO3(111) interface （电场控制LaAlO3/KTaO3(111)界面超导）在《科学》杂志上线。论文的共同第一作者为浙大物理系博士生陈峥、刘源和北京航空航天大学博士后张慧，共同通讯作者是浙大物理学系谢燕武研究员，中科院物理所孙继荣研究员和周毅研究员。这一发现为人们 探索 低温量子现象呈现了一个崭新的视野，也为超导器件的研发提供了新的思路。

“后浪”的潜力

LaAlO3/KTaO3界面超导今年2月才刚刚在《科学》杂志正式“亮相”。在氧化物界面超导家族中，它是第2位入列的成员。第1位成员亮相于2007年，瑞士日内瓦大学的Triscone教授等首先发现了LaAlO3/SrTiO3界面存在超导现象，这标志着一类新的超导体系的诞生：氧化物界面超导。

Triscone曾用一堆乐高积木来形容这一领域的奇妙：不同的氧化物可以产生千变万化的组合，每种组合都有可能蕴含着未知的、新奇的性质。随后的研究发现，LaAlO3/SrTiO3的超导电性可以通过电压来开启或关闭，就像我们熟知的半导体晶体管。这不禁让人畅想，或许有一天我们能制造出像半导体一样可以精确调控的超导器件。

而一年多前“新生”于美国阿贡实验室的“后浪”LaAlO3/KTaO3的表现似乎更加抢眼。今年2月发表在《科学》杂志的论文指出，“LaAlO3/KTaO3的超导转变温度可达 K，比“前浪”的 K高出整整一个数量级。那么，它会有哪些新奇的性质？它的超导性能也能被调控吗？它对超导机制研究会有哪些价值？神秘的“后浪”吸引着谢燕武与他的合作伙伴们去一探究竟。

新的调控，新的机制

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全新的调控机制，实现了LaAlO3/KTaO3导电性能的连续可调，器件随电压变化呈现了从超导到绝缘体的连续转变。

博士生陈峥和刘源在实验室制备样品

谢燕武介绍，导电电子在低温下两两配对，就会形成超导，目前已知的超导体系已经非常多，但能被电场调控的凤毛麟角。“”我们的调控方法本质就是调控电子‘队形’的空间分布，让它们在更靠近或更远离界面的地方运动。”大量的电子在氧化物界面附近运动时，会受到晶格缺陷（也称为“无序”）的影响。“就像开车时遇到障碍物。”谢燕武说，这种“无序”越贴近界面分布越密集，越远离界面则越稀疏。基于这一认识，研究团队提出了改变电子空间分布的思路，“如果有更多的电子靠近界面，那么整体来看它们遇到的‘障碍物’就变多了，这会显著影响电子以及配对后的超导库珀对的运动行为。”

每平方厘米界面通道里有80万亿个电子在运动，门电压通过改变它们的“队形”来影响界面导电性能。“山丘”形状示意了无序分布。

在这项实验中，研究人员测试了门电压从-200V到150V区间时界面的导电性能。“不论在超导转变温度之上还是之下，导电性都可被连续调控。”陈峥说，“我们还直接测量了在这一门电压区间电子‘队形’空间分布的变化，当导电通道在6纳米时，LaAlO3/KTaO3看起来是很好的超导，而当通道调整到2纳米时，它就成了绝缘体。”

在-200V到150V区间施加不同门电压时LaAlO3/KTaO3界面的面电阻（Rsheet）随温度（T）的变化。

“从表面看，我们与传统的方法用的都是门电压调控，但背后的调控机制是全新的。”孙继荣说，传统的方法，无论是半导体晶体管还是LaAlO3/SrTiO3，都是通过改变电子浓度从而实现对导电性能的调控，这里需要有个前提：电子浓度低。“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，因此需要 探索 全新的调控机制。”孙继荣说，新的调控仍然以类似于晶体管的方式工作，但本质上打破了对于电子浓度的限制。

量子金属态

博士生陈峥与刘源全程参与了样品的制备和测试。陈峥说，研究过程中最难忘的是第一次测出LaAlO3/KTaO3超导性的那一天，“表明我们已经掌握了制备这一新界面超导体系的方法，可以开始我们的调控研究了！”随着实验的推进，越来越多的数据涌现出来。当他们把它们放到一起时，惊奇地发现在低温下是一条又一条水平线条，也就是说，无论温度在0~1K的区间内如何变化，LaAlO3/KTaO3界面的电阻几乎始终是恒定的。“量子金属是同时具有部分超导和金属特性的新奇量子物态，这是一种典型的量子金属态。”周毅说，“已知的量子金属态都只处于某个量子临界点上。而这个系统可以连续调控，量子金属作为相图上一个物相的形式存在，这个新发现令我们异常激动。”

器件实物照片。中间核心桥路部分宽20微米，长100微米。

《科学》杂志的审稿人对这项研究给与了非常积极的回应，他们认为，这种完全可调的超导性是一项引人入胜的突破，该项研究充分深入，几乎覆盖了过去10多年人们在LaAlO3/SrTiO3体系中获得的认识。

谢燕武说，对于新材料的研究主要来自于两方面动力：一方面想通过新材料的研究来发现新的物理现象，获得更多的科学见解；另一方面也试图为开发新器件提供有益的线索。“我们在LaAlO3/KTaO3体系中的研究可为理解超导机制，尤其是理解高温超导中的机制提供全新的素材，同时也为将来开发超导器件提供了新的视野。”

这项研究的团队成员还包括浙大物理系博士生孙艳秋、张蒙，以及浙大材料学院田鹤教授和刘中然博士。

研究得到了浙江大学量子交叉中心同仁在技术和设备等方面的全方位支持，同时还得到了浙江大学“双一流”建设专项经费、国家重点研发计划、国家自然科学基金、和浙江省重点研发计划等支持。

浙大物理系谢燕武课题组

论文DOI:

（原题为《浙大团队Science再发文！解密如何利用电场控制氧化物界面超导》。编辑张钟文）

品 名:超导陶瓷拼音:chao1dao3tao2ci2英文名称：superconductivity ceramics说明:具有超导性的陶瓷材料。其主要特性是在一定临界温度下电阻为零即所谓零阻现象。在磁场中其磁感应强度为零，即抗磁现象或称迈斯纳效应（Meissner effect）。高临界温度（90开以上）的超导陶瓷材料组成有YBa2Cu3O7-δ，Bi2Sr2Ca2Cu3O10，Tl2Ba2Ca2Cu3O10。超导陶瓷在诸如磁悬浮列车、无电阻损耗的输电线路、超导电机、超导探测器、超导天线、悬浮轴承、超导陀螺以及超导计算机等强电和弱电方面有广泛应用前景。奇异的超导陶瓷1973年，人们发现了超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为，该记录保持了13年。1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧－钡－铜－氧）具有35K的高温超导性，打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，引起世界科学界的轰动。此后，科学家们争分夺秒地攻关，几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也奇迹般地被突破了。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度竟然提高了100K以上，这在材料发展史，乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹！高温超导材料的不断问世，为超导材料从实验室走向应用铺平了道路。

过渡金属原子的kagome晶格，为在几何受挫和非平凡能带拓扑存在的情况下，研究电子关联提供了一个激动人心的平台，并不断带来惊喜，在高鸿钧院士/汪自强教授《Nature》超导领域新发现后，来自美国波斯顿学院的Ilija Zeljkovic等研究者 同一天 报道了使用光谱成像扫描隧道显微镜发现一个新的kagome超导体CsV3Sb5中不同的对称破缺电子态作为温度的函数级联。相关论文以题为“Cascade of correlated electron states in a kagome superconductor CsV3Sb5”发表在Nature上。

论文链接：

由原子组成的量子固体排列在共享角三角形的晶格上(kagome晶格)是一个 探索 新的相关和拓扑电子现象的迷人游乐场。由于其固有的几何受挫，kagome系统预测具有一系列奇异的电子态，如键和电荷有序，自旋液相和手性超导等。到目前为止，大多数实验工作都集中在过渡金属kagome磁体上，例如Co3Sn2S2、FeSn和Fe3Sn2，其中不同形式的磁性主导了低温电子基态。在没有磁有序的情况下，电子关联在原则上有利于出现新的对称破缺电子态，但由于磁有序的趋势，这在许多现有的kagome材料中很难 探索 。

AV3Sb5 (A=K, Rb, Cs)，是最近发现的一类不呈现可分辨磁序的kagome金属。这类材料已经在非平凡的拓扑环境中显示出了不寻常的电子行为，比如巨大的异常霍尔响应，源自于巨大的贝里曲率，以及kagome系统中罕见的超导现象。理论表明，AV3Sb5的能带结构具有非平凡的拓扑不变量，并结合显现的超导性，在铁基高 T c超导体家族中与拓扑金属形成有趣的平行关系。由于费米能级附近的van Hove奇点和费米表面的准一维区域造成的态密度大，也为在kagome晶格上寻找难以捉摸的相关态提供了理想的场所。虽然理论预测了kagome晶格电子结构的空间对称破缺的许多可能性，但它们的实验实现一直具有挑战性。

在这里，研究者利用光谱成像扫描隧道显微镜(SI-STM)，在kagome超导体CsV3Sb5中发现了对称破缺相的级联与温度的函数关系，可检测为不同的电荷有序态和各向异性准粒子散射特征。这些相在正常状态下发展，并在超导 T c以下持续存在。实验证明，CsV3Sb5中的超导性，来自于本应破缺的旋转和平移对称的电子态，并与之共存。在远高于超导跃迁温度( T c~ K)的温度下，研究者揭示了一个具有2a0周期的三元电荷序，打破了晶格的平移对称性。当系统冷却到 T c时，研究者在费米能级上观察到一个显著的V型光谱缺口，并在超导跃变过程中持续破坏了六重旋转对称性。在微分电导图中，出现了额外的4a0单向电荷阶和强各向异性散射。后者可直接归因于钒kagome能带的轨道选择重正化。该实验揭示了可在kagome晶格上共存的复杂电子态，并提供了与高温超导体和扭曲双层石墨烯有趣的相似之处。

图1 表面表征。

图2 大尺度电子特性。

图3 低温下电荷有序。

图4 CsV3Sb5准粒子干涉(QPI)中旋转对称破缺的可视化研究。

未来的实验，应该通过更详细的温度、能量和掺杂相关的测量来解决不同相之间的竞争，同时也要寻找本征拓扑超导性和非平凡能带拓扑预计会出现的Majorana模式的证据。（文：水生）