Nature子刊：超導錫陣列-石墨烯雜化材料的雙量子臨界性

cc 5年前 (2018-06-26) 3734瀏覽

【前言】

在二維超導材料中經常觀察到高溫超導、玻色金屬態和量子griffiths相等新的量子現象，研究人員認為它們的性質受在零度下連續量子相變(QPT)的控制。QPT發生在零度，這是由于非熱參數下哈密頓量的變化，如無序、磁場或摻雜。由連續QPT產生的量子臨界性可以控制直到非常高的溫度的相圖，并且可以用有限尺寸標度(FSS)理論來描述。傳統的垂直磁場調諧QPT在非晶或粒狀二維超導體中總是單一的。而最近的實驗顯示超導體到絕緣體的相變(SIT)是由與LaTiO3/SrTiO3界面處的兩個QPTs相對應的磁場調諧的。以往的理論研究表明，即使是多個QPT，QPT也可能是由二維躍遷附近自發形成的超導不均勻性引起的。因此，在LaTiO3/SrTiO3界面上出現的兩個QPT也被認為與不均勻超導有關，其中一個QPT對應于由高遷移率載流子(HMCs)形成的超導熔池的局部有序，另一個QPT是由于通過2DEG耦合的超導熔池之間的相干性。然而，由于在LaTiO3/SrTiO3界面上無法目視觀察到超導水坑和2DEG的存在，2D超導體中多個QPTs的物理機制仍存在爭議。為了闡明觀測到的多個QPTs的起源，實質上需要一個可視化平臺來再現由LaTiO3/SrTiO3界面處的搖擺超導puddles - 2DEG系統組成的系統。

【成果簡介】

近日，來自中科院微系統所的狄增峰研究員和胡濤副研究員（共同通訊）在Nature Communications上發表文章，題為：Double quantum criticality in superconducting tin arrays-graphene hybrid。研究人員通過在單晶單層石墨烯上沉積錫納米島陣列，人工構建超導puddles - 2DEG雜化體系，再現了兩種量子臨界行為。通過對磁阻的有限尺寸標度分析，研究人員發現這兩種量子臨界行為分別來自島內和島間的相位相干，相位圖進一步說明了這一點。這項工作為研究二維系統中的超導量子相變提供了平臺，有助于將超導器件集成到半導體技術中。

【圖文導讀】

圖1. 在4英寸的內在鍺晶片內的石墨烯——錫納米島雜化系統

a由錫納米島修飾的單晶單層石墨烯組成的設計系統的示意圖;

b原子力顯微鏡(AFM)在單晶石墨烯上自組裝厚度為10 nm的不連續錫島的圖像;

c .石墨烯上截面為10 nm厚的不連續錫納米島的STEM圖像，以及顯示Sn和Ge分布的相應STEM - EDS映射圖像;

d在4英寸本征鍺晶片上制造的測試器件矩陣的照片;

e放大圖顯示了組裝成一個陣列的九個單獨的超導器件;

圖2. 石墨烯-錫納米島陣列的二維超導電性

a四端薄層電阻(Rs)與溫度(T)的關系;

b 作為角度θ的函數的上臨界場Hc2;

c 在不同溫度下，電壓-電流(V-I)曲線呈對數標度;

圖3. 石墨烯-錫納米島陣列中觀察到兩個QPTs

a對于0至3千歐的不同磁場H，薄層電阻Rs是溫度T的函數;

b、c分別從磁場為2.4至3千歐和1.4至2.4千歐的低溫區(0.05至0.30千歐)和高溫區( 2.0至3.0千歐)收集的詳細數據;

圖4. 石墨烯-錫納米島陣列中超導體-絕緣體量子相變的標度行為

a對于2至2.5k的不同溫度，方塊電阻Rs與磁場H的函數；

b通過優化a中相同數據得到的QPT的有限尺寸標度分析；

c 對于0.05至0.2k的不同溫度，方塊電阻Rs與磁場H的函數；

d通過優化c中相同數據得到的QPT的有限尺寸標度分析；

圖5. 石墨烯——錫納米島雜化陣列的H–T相圖

Tpeak1 (黑色正方形)、Tpeak2 (紅色圓圈)、HTCR (黑色實線)和LTCR (紅色實線)將超導區(dρ/dT?>?0)和弱定位金屬區(dρ/dT?<?0)分開。

【總結】

綜上所述，在本征鍺(110)晶片上合成了由超導錫納米島和單晶單層石墨烯組成的二維超導體。這種混合系統可以直觀地再現氧化物界面處假設的超導puddles - 2DEG系統，并且由磁場感應的預期兩個QPTs如通過磁阻的FSS分析識別的那樣再現。構造的H - T相圖表明，兩個QPTs分別對應于錫納米島內超導性和錫納米島間超導性。本研究為二維超導量子力學的研究提供了一個理想的可視化平臺。此外，構建在半導體鍺晶片上的超導器件陣列為超導器件與現有半導體技術的集成提供了巨大的潛力。

文獻鏈接：Double quantum criticality in superconducting tin arrays-graphene hybrid, (Nature Comm, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04606-w)

本文由材料人電子電工學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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