Разрушение сверхпроводимости в металле кагомэ
Новое международное сотрудничество под руководством RMIT впервые обнаружило отчетливый бозонный переход сверхпроводник-изолятор, вызванный беспорядком. Открытие обрисовывает глобальную картину гигантского аномального эффекта Холла и показывает его корреляцию с нетрадиционной волной плотности заряда в семействе металлов AV3Sb5 кагоме с потенциальными применениями в будущей электронике сверхнизких энергий.
Устройство протонного затвора, изготовленное в RMIT: наночешуйка CsV3Sb5 вверху и устройство Холла внизу.
Предоставлено: Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36208-6
Сверхпроводники, которые могут передавать электричество без рассеивания энергии, открывают большие перспективы для разработки будущих технологий низкоэнергетической электроники и уже применяются в различных областях, таких как поезда на воздушной подушке и мощные магниты (такие как медицинские МРТ).
Однако то, как именно формируется и работает сверхпроводимость во многих материалах, остается нерешенной проблемой и ограничивает ее применение.
В последнее время новое семейство кагомэ-сверхпроводников CsV3Sb5 привлекло повышенный интерес благодаря своим новым свойствам. Материалы «кагомэ» имеют необычную решетку, названную в честь японского узора плетения корзин с треугольниками, имеющими общие углы.
Материалы AV3Sb5 (где A относится к цезию, рубидию или калию) представляют собой идеальные платформы для физических исследований, таких как топология и сильные корреляции, но, несмотря на многие недавние исследования, происхождение гигантского аномального эффекта Холла и сверхпроводимости материала остается неизвестным.
Сотрудничество исследователей из Университета RMIT (Австралия) под руководством FLEET и партнерской организации High Magnetic Field Laboratory (Китай) впервые подтверждает электрический контроль сверхпроводимости и АЭХ в ван-дер-ваальсовом кагоме-металле CsV3Sb5 .
Управление гигантским аномальным эффектом Холла посредством обратимой интеркаляции протонов
Обладая топологическими электронными зонами и геометрической фрустрацией решеток ванадия, слоистые металлы кагоме AV 3 Sb 5 вызвали большой интерес в физике конденсированных сред из-за многих квантовых явлений, которые они поддерживают, включая:
- нетрадиционный, новый нематический порядок
- хиральный порядок плотности заряда
- гигантский аномальный эффект Холла (АЭХ) и
- взаимодействие между двухзонной сверхпроводимостью и волной зарядовой плотности (ВЗП) в AV3Sb5 .
Более того, происхождение гигантского АЭХ в AV 3 Sb 5 и его корреляция с киральной ВЗП остаются неясными, несмотря на несколько недавно предложенных механизмов, включая внешнее косое рассеяние дираковских квазичастиц с фрустрированной магнитной подрешеткой, орбитальные токи нового кирального зарядового порядка и фаза кирального потока в фазе ВЗП.
«До сих пор мы получили много интересных результатов с помощью метода протонных затворов в устройствах спинтроники ВДВ. Поскольку этот метод может эффективно модулировать плотность носителей до 10 21 см -3 , мы хотели бы применить его к AV3Sb5 , который имеет аналогичный уровень плотности носителей», — говорит первый автор нового исследования, научный сотрудник FLEET доктор Гуолинь Чжэн (RMIT).
«Возможность настраивать плотность носителей и соответствующие поверхности Ферми будет играть жизненно важную роль в понимании и управлении этими новыми квантовыми состояниями и потенциально позволит реализовать некоторые экзотические квантовые фазовые переходы».
Команда решила проверить эту теорию на CsV3Sb5 , который потенциально имеет самое большое запасное атомное пространство для интеркаляции протонов. Устройства были легко спроектированы и изготовлены на основе богатого опыта команды в этой области.
Их последующие результаты с CsV3Sb5 сильно зависели от толщины материала.
«Было очень сложно эффективно модулировать «более толстые» нанохлопья (более 100 нм)», — говорит соавтор, научный сотрудник FLEET доктор Ченг Тан (RMIT).
«Но когда толщина уменьшилась примерно до 40 нм, введение протона стало довольно простым», — говорит Ченг. «Мы даже обнаружили, что инъекция очень обратима. Действительно, мы редко встречали такой благоприятный для протонов материал».
Интересно, что с развивающейся интеркаляцией протонов тип носителя (или «знак» эффекта Холла) можно было модулировать либо на дырочный, либо на электронный тип, и амплитуда достигаемых АЭХ также была эффективно настроена.
Дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования показывают, что эта драматическая модуляция гигантских АЭХ возникает из-за сдвига уровня Ферми в восстановленных зонных структурах.
«Результаты АЭХ со стробированием также показали, что наиболее возможным источником АЭХ является косое рассеяние, и это еще больше улучшает наше понимание металла кагомэ», — объясняет Гуолин. «Но мы еще не наблюдали переход сверхпроводник-изолятор в нанохлопьях размером 40 нм».
«Мы должны дополнительно попробовать более тонкие нанохлопья CsV3Sb5 , чтобы исследовать это».
Интеркаляция протонов, индуцированная переходом сверхпроводника в «неисправный изолятор»
Уникальное сосуществование электронных корреляций и топологии зон в AV 3 Sb 5 позволяет исследовать интригующие переходы этих коррелированных состояний, такие как переход сверхпроводник-изолятор, квантовый фазовый переход, обычно настраиваемый беспорядками, магнитными полями и электрическим затвором.
Уменьшив количество атомных слоев, команда предприняла дальнейшие шаги для изучения потенциальных квантовых фазовых переходов в CsV3Sb5 .
«Сначала я попробовал несколько ультратонких наночастиц размером <10 нм, — говорит Ченг. «Я заметил, что критические температуры фазы сверхпроводимости уменьшались с увеличением интеркаляции протонов, но я не мог окончательно подтвердить, что сверхпроводимость исчезла, поскольку она могла все еще существовать при температурах в милликельвинах, которых мы не можем достичь. Кроме того, устройства были очень хрупким, когда я пытался еще больше увеличить интеркаляцию протонов».
Поэтому Ченг изменил стратегию и занялся более толстыми нанохлопьями на 10–20 нм, а также попробовал разные материалы электродов для достижения лучшего электрического контакта.
Эта стратегия увенчалась успехом. Группа неожиданно обнаружила, что критическая температура фазы CDW снизилась, а кривые сопротивления в зависимости от температуры демонстрируют четкий переход от сверхпроводника к изолятору при увеличении инжекции протонов.
«Интеркаляция протонов привела к беспорядку и подавила как ВЗП, так и когерентность сверхпроводящих фаз», — говорит соавтор, профессор Лань Ван (также из RMIT). «И это привело к переходу сверхпроводник-изолятор, связанному с локализованными куперовскими парами и характеризующемуся насыщенным поверхностным сопротивлением, достигающим 106 Ом при температуре, приближающейся к нулю, что получило название «вышедший из строя изолятор».
«Наша работа раскрывает отчетливый бозонный переход сверхпроводник-изолятор, вызванный беспорядком, обрисовывает в общих чертах картину гигантского АЭХ и показывает его корреляцию с нетрадиционной ВЗП в семействе AV3Sb5 » .
«Этот важный и электрически контролируемый переход сверхпроводник-изолятор и аномальный эффект Холла в металлах кагоме должны вдохновить на дальнейшие исследования соответствующей интригующей физики с перспективами для энергосберегающих наноэлектронных устройств».
«Электрически управляемый переход сверхпроводника в изолятор и гигантский аномальный эффект Холла в наночешуйках кагомэ -металла CsV3Sb5 » был опубликован в Nature Communications в феврале 2023 года.
