El alumato de potasio (LaAlO3_3) y el potasio de potasio (KTaO3_3) son dos tipos de aislantes, pero cuando se combinan, la interfaz puede conducir electricidad e incluso aparecer superconductora. Esta superconductividad de interfaz recién descubierta ha despertado un gran interés entre los científicos. Los investigadores del Departamento de Física de la Universidad de Zhejiang, el Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China y otras instituciones descubrieron que la conductividad de la interfaz LaAlO _ 3 / KTAO _ 3 puede ser controlada continuamente por el voltaje como un dispositivo semiconductor: con el cambio de voltaje de mercurio, muestra un cambio continuo de superconductor a aislante. Al mismo tiempo, el equipo también observó una serie de fenómenos físicos novedosos, como estados metálicos cuánticos, que se pueden regular continuamente en esta interfaz. May 14 Papel relacionado Laalo3/Ktao3 (111) Control de campo eléctrico de la superconductividad de la interfaz (control de campo eléctrico La Alo 3/Ktao 3 (11) de la superconductividad de la interfaz). Los primeros autores del artículo son Chen Zheng, Liu Yuan, estudiantes de doctorado del Departamento de Física de la Universidad de Zhejiang y Zhang Hui, postdoctorado de Beirut. Los autores del comunicado son los investigadores del Departamento de Física de la Universidad de Zhejiang Xie, Sun y Zhou Yi. Este descubrimiento proporciona una nueva visión para explorar los fenómenos cuánticos a baja temperatura y también proporciona nuevas ideas para el desarrollo de dispositivos superconductores. La superconductividad de la interfaz Laalo _ 3 / KTAO _ 3 apareció oficialmente en la revista Science en febrero de este año. Es el segundo miembro de la familia de superconductores de la interfaz de óxido. El primer miembro apareció en 27. El profesor Triscone y otros de la Universidad de Ginebra, Suiza, descubrieron por primera vez la superconductividad de la interfaz LaAlO3/SrTiO3, marcando el nacimiento de un nuevo sistema de superconductividad: la superconductividad de la interfaz de óxido. Triscone usa un montón de bloques de Lego para describir la maravilla del campo: diferentes óxidos pueden producir una variedad de combinaciones, cada una de las cuales puede contener propiedades novedosas desconocidas. Investigaciones posteriores revelaron que la superconductividad de LaAlO3/SrTiO3 se puede activar o desactivar por voltaje, al igual que los transistores semiconductores que conocemos. Esto nos lleva a imaginar que algún día podamos hacer dispositivos superconductores que se puedan controlar con precisión como semiconductores. Hace más de un año, el desempeño del "nuevo" LaAlO3/KTaO3 de Argonne en los Estados Unidos parecía más llamativo. En un artículo publicado en la revista Science en febrero de este año, se señala que “la temperatura de transición superconductora de LaAlO3/KTaO3 puede alcanzar 2,2 K, un orden de magnitud entero más alto que la de .3 K”. ¿Cuáles son sus características novedosas? ¿Pueden ser reguladas sus propiedades superconductoras? ¿Cuál es el valor de la investigación sobre los mecanismos de superconductividad? El misterioso "retorno" atrae a Xie y sus compañeros a investigar. La nueva regulación y el nuevo mecanismo de regulación es el medio más importante y el contenido de la investigación científica experimental. En este estudio, el equipo descubrió un nuevo mecanismo regulador que permite la regulación continua de la conductividad de LaAlO3/KTaO3, y el dispositivo muestra un cambio continuo de superconductor a aislante a medida que cambia el voltaje. Los estudiantes de doctorado Chen Zheng y Liu Yuan prepararon muestras en el laboratorio. A baja temperatura, los electrones conductores se emparejan para formar superconductividad. Hay muchos sistemas superconductores conocidos, pero pocos pueden ser controlados por campos eléctricos. La esencia de nuestro método de control es controlar la distribución espacial de la formación de electrones y mantenerlos cerca o lejos de la interfaz. Cuando una gran cantidad de electrones se mueven cerca de la interfaz del óxido, se ven afectados por los defectos de la red (también conocidos como desorden). "Es como conducir con un obstáculo". Xie dijo que este "desorden" más cerca de la interfaz es más densa, más lejos de la interfaz es más escasa. Sobre la base de esta comprensión, el equipo de investigación propuso la idea de cambiar la distribución del espacio electrónico. "Si más electrones se acercan a la interfaz, entonces, en su conjunto, encontrarán más 'obstáculos', lo que afectará significativamente el comportamiento de los electrones y los pares de superconductores Cooper emparejados". Con 8 billones de electrones por centímetro cuadrado que se mueven a través de los canales de interfaz, la presión de la entropía afecta la conductividad de la interfaz al cambiar su "formación". La forma de la “montaña” indica una distribución desordenada. En este experimento, los investigadores probaron la conductividad de la interfaz cuando la presión del anclaje estaba entre -2V y 15V, "ya sea por encima o por debajo de la temperatura de transición de la superconductividad, la conductividad se puede ajustar continuamente". “También hemos medido directamente los cambios en la distribución espacial de la ‘formación’ de electrones dentro de este rango de voltaje. Cuando el canal conductor es de 6 nm, LaAlO3/KTaO3 parece un superconductor muy bueno, pero cuando el canal se ajusta a 2 nm, se convierte en un aislante". Cuando se aplican diferentes tensiones de puerta en el rango de -2V a 15V, la resistencia superficial (Rsheet) de la interfaz LaAlO3/KTaO3 cambia con la temperatura (t) "En la superficie, usamos el método tradicional para ajustar la tensión de puerta, pero el mecanismo de ajuste detrás es completamente nuevo". El método convencional, ya sea un transistor semiconductor o LaAlO_3 / SrTiO_3, modula la conductividad cambiando la concentración de electrones, lo que requiere una premisa: una baja concentración de electrones. "En contraste, la interfaz LaAlO3/KTaO3 tiene una alta concentración de electrones que no puede satisfacer los mecanismos de regulación tradicionales, por lo que es necesario explorar nuevos mecanismos de regulación". Sun dijo que la nueva regulación todavía funciona como un transistor, pero esencialmente rompe los límites de la concentración de electrones. Los estudiantes de doctorado Chen Zheng y Liu Yuan participaron en la preparación y prueba de las muestras. Chen dijo que lo más memorable durante el estudio fue el día en que la superconductividad de LaAlO3/KTaO3 se midió por primera vez. "Esto demuestra que hemos dominado los métodos para preparar este nuevo sistema superconductor de interfaz y podemos comenzar nuestra investigación regulatoria". A medida que avanza el experimento, más y más datos salen a la superficie. Cuando los pusieron juntos, se sorprendieron al descubrir que había líneas horizontales a bajas temperaturas, es decir, que la resistencia de la interfaz LaAlO3/KTaO3 era casi siempre constante, independientemente de cómo la temperatura cambiara en el rango de a 1 K. "Los metales cuánticos son un nuevo estado de masa que combina parcialmente superconductividad y propiedades metálicas, y son un estado metálico cuántico típico". Zhou Yi dijo: "El estado de metales cuánticos conocido está solo en un punto crítico cuántico. Este sistema puede ser regulado continuamente y los metales cuánticos existen como una fase en el mapa de fase. Este nuevo descubrimiento nos entusiasma mucho”.
Fotografía física del dispositivo. La parte del puente del núcleo medio es de 2 micras de ancho y 1 micras de largo. Los comentaristas de la revista Science han respondido muy positivamente al estudio. Creen que esta superconductividad completamente ajustable es un avance fascinante, y el estudio es lo suficientemente profundo como para cubrir casi todo el conocimiento adquirido en los últimos 65.438+ años en el sistema LaAlO3/SrTiO3. Xie dijo que la investigación de nuevos materiales proviene principalmente de dos aspectos: por un lado, quieren descubrir nuevos fenómenos físicos a través de la investigación de nuevos materiales y obtener una mayor comprensión científica. Por otro lado, también intenta proporcionar pistas útiles para el desarrollo de nuevos dispositivos. "Nuestra investigación en el sistema LaAlO_3 / KTAO_3 puede proporcionar materiales completamente nuevos para comprender los mecanismos de la superconductividad, especialmente en la superconductividad a alta temperatura, y también proporcionar nuevos horizontes para el desarrollo futuro de dispositivos superconductores". Los miembros del equipo de investigación también incluyen estudiantes de doctorado Sun He, del Departamento de Física de la Universidad de Zhejiang, así como el profesor Tian He y el Dr. Liu Zhongran, del Instituto de Materiales de la Universidad de Zhejiang. La investigación ha recibido el apoyo integral de los colegas del Centro de Intercambio Cuántico de la Universidad de Zhejiang en tecnología y equipos, así como el fondo especial para la construcción de "doble primera clase" de la Universidad de Zhejiang, el programa de I + D clave nacional, el Fondo Nacional de Ciencias Naturales, el programa de I + D clave de la provincia de Zhejiang, etc.
Xie Yanwu, Departamento de Física de la Universidad de Zhejiang
tesis doi: 1.1126 / ciencia. abb 3848.
(Anteriormente titulado “¡Zhejiang Brigade Science! Cómo utilizar el campo eléctrico para controlar la superconductividad de la interfaz de óxido? Editorial sentía)