钛氧化物人工异质界面系统中的新颖超导电性

英文原题：Intriguing interfacial superconductivity at the titanium sesquioxide heterointerface via heterostructure engineering

通讯作者：李 炜，复旦大学物理学系

作者： Lijie Wang (王丽杰)，Wenhao He (何文浩), Guangyi Huang (黄广艺), Huanyi Xue (薛环一), Guanqun Zhang (张冠群), Gang Mu (牟刚), Shiwei Wu (吴施伟), Zhenghua An (安正华), Changlin Zheng (郑长林), Yan Chen (陈焱), Wei Li (李炜)

背景介绍

在人工异质界面系统中，由于存在着异质界面间的相互耦合和界面对称破缺促使该系统中的电子电荷、自旋和轨道以及晶格自由度之间的激烈相互作用、相互影响而呈现出许多非常丰富的不同于块体材料的新颖量子物性，包括铁电-铁磁耦合的多铁性、界面超导电性等。同时，异质界面系统本身就是器件，可在未来的电子信息技术行业中有着潜在的应用价值。因此，对于人工异质界面系统方面的研究不仅具有重要的前沿基础科学研究价值，而且还具有广泛的应用前景。

尽管自超导电性的发现迄今已有一个世纪余年时间，但是对它的研究一直以来都是经久不衰，特别是对非常规超导电性方面的研究，其超导电性的产生机理依然是一个未解之谜。随着薄膜生长技术的发展，近些年在人工设计的异质界面系统中发现界面超导电性重新点燃科学家们的研究热潮。对它的研究也已经成为当前前沿凝聚态物理学和材料科学的热点和重点研究方向之一，也有望从中获得新的线索为揭开困惑科学家们近40年时间的非常规超导电性产生的背后物理机制，实现可能的室温超导体的目标。

近日，复旦大学物理学系李炜青年研究员在ACS Nano上发表了在钛氧化物人工异质界面系统中发现一种具有双极化子型超导配对机制的新型界面超导体。基于异质界面间的耦合效应和界面对称破缺理论，研究团队设计构造由电子强关联效应的窄能隙Mott绝缘体Ti2O3和具有极性的宽能隙半导体GaN所组成的人工异质界面系统Ti2O3/GaN中探索与研究其可能存在着新颖界面超导电性。利用脉冲激光沉积技术在实验层面上成功地制备出高质量薄膜并通过低温电学输运和磁学测试表征手段，揭示出人工异质界面系统Ti2O3/GaN具有超导转变温度为3.8 K的二维超导电性，如图1所示。同时，更为重要的是该研究团队还在Ti2O3/GaN超导态边界处的正常态中观测到具有电阻不随温度变化的平台行为以及霍尔电阻为零的新奇量子Bose型金属态，表明该界面超导态是从二维界面量子Bose金属态演化而来，如图2所示，即双极化子型超导配对机制的界面超导电性(Bipolaronic Superconductivity)。

图1. 人工异质界面系统Ti2O3/GaN中的超导电性

图2. 不同厚度的异质界面系统Ti2O3/GaN的相图

总结/展望

因此，研究团队利用人工异质界面薄膜生长技术在实验上发现一种新型的具有双极化子型超导配对机制的异质界面超导体。本文的研究工作不仅点亮了人工异质界面系统中的新颖超导电性及其超导电性产生的配对机制，为寻找可能存在的更高超导转变温度的异质界面超导体提供新的方向，而且还为后续在人工异质界面系统中探索新颖的量子物态提供新的思路。

相关论文发表在ACS Nano上，复旦大学物理学系博士研究生王丽杰同学为文章的第一作者，李炜青年研究员为通讯作者。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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