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上海微系统所在二维超导体双量子相变研究取得进展

近期,中国科学院上海微系统所信息功能材料国家重点实验室高端硅基材料与应用课题组与超导材料与超导电子学应用课题组合作在二维无序超导体双量子相变物理机制方面取得进展。课题组研究人员们利用Ge(110)上生长的单晶石墨烯与无序锡岛阵列人工地构造出二维超导体,并发现了磁场调控下呈现两个超导绝缘体量子相变,在实验上证明并阐释了二维无序超导体的磁场调控双量子临界现象产生的物理机制。相关研究成果以“Double quantum criticality in superconducting tin arrays-graphene hybrid”为题于2018年6月4日发表在Nature Communications上(Nature Communications, 9, 2159 (2018),DOI: 10.1038/s41467-018-04606-w)。

二维超导体的超导绝缘体相变是一种非常典型的量子相变,它描述的是系统发生在零温下的量子基态的转变,并受体系的哈密顿参数调控,比如掺杂,外磁场等。它对于揭示二维超导体以及强关联体系一些反常的量子现象具有十分重要的物理意义。一直以来,二维超导薄膜在磁场调控下通常呈现单个量子相变。最近,研究人员发现磁场调控下的LaTiO3/SrTiO3超导异质界面(Nature Materials, 12, 542-548 (2013))存在双超导绝缘体量子相变。在理论上,这两个量子相变被认为是LaTiO3/SrTiO3界面的岛状超导机制造成的,但是缺乏直接的实验证据。信息功能材料国家重点实验室孙银波、胡涛、狄增峰等研究人员利用在本征Ge(110)/单晶石墨烯上生长无序的锡岛阵列,构建了可视化的二维无序超导系统模拟LaTiO3/SrTiO3的岛状超导机制。在磁场调控下,该体系重现了LaTiO3/SrTiO3超导异质界面双超导绝缘体量子相变现象。通过不同温度下的磁阻曲线分析,发现这两个量子相变分别对应锡岛内与锡岛间的相位关联,从而证实了双超导绝缘体量子相变产生的物理机理。

该工作得到上海市学术/技术带头人计划、国家科技重大专项、中科院前沿科学重点研究计划、国家自然科学基金委面上基金、中科院战略性先导科技专项(B项)等相关研究计划的支持。

锗基石墨烯—锡岛阵列构建的晶圆级二维超导材料与器件

双量子相变行为的磁阻曲线与标度行为分析

来源:中科院上海微系统所