Nature子刊：超导锡阵列-石墨烯杂化材料的双量子临界性

cc 6年前 (2018-06-26) 4302浏览

【前言】

在二维超导材料中经常观察到高温超导、玻色金属态和量子griffiths相等新的量子现象，研究人员认为它们的性质受在零度下连续量子相变(QPT)的控制。QPT发生在零度，这是由于非热参数下哈密顿量的变化，如无序、磁场或掺杂。由连续QPT产生的量子临界性可以控制直到非常高的温度的相图，并且可以用有限尺寸标度(FSS)理论来描述。传统的垂直磁场调谐QPT在非晶或粒状二维超导体中总是单一的。而最近的实验显示超导体到绝缘体的相变(SIT)是由与LaTiO3/SrTiO3界面处的两个QPTs相对应的磁场调谐的。以往的理论研究表明，即使是多个QPT，QPT也可能是由二维跃迁附近自发形成的超导不均匀性引起的。因此，在LaTiO3/SrTiO3界面上出现的两个QPT也被认为与不均匀超导有关，其中一个QPT对应于由高迁移率载流子(HMCs)形成的超导熔池的局部有序，另一个QPT是由于通过2DEG耦合的超导熔池之间的相干性。然而，由于在LaTiO3/SrTiO3界面上无法目视观察到超导水坑和2DEG的存在，2D超导体中多个QPTs的物理机制仍存在争议。为了阐明观测到的多个QPTs的起源，实质上需要一个可视化平台来再现由LaTiO3/SrTiO3界面处的摇摆超导puddles - 2DEG系统组成的系统。

【成果简介】

近日，来自中科院微系统所的狄增峰研究员和胡涛副研究员（共同通讯）在Nature Communications上发表文章，题为：Double quantum criticality in superconducting tin arrays-graphene hybrid。研究人员通过在单晶单层石墨烯上沉积锡纳米岛阵列，人工构建超导puddles - 2DEG杂化体系，再现了两种量子临界行为。通过对磁阻的有限尺寸标度分析，研究人员发现这两种量子临界行为分别来自岛内和岛间的相位相干，相位图进一步说明了这一点。这项工作为研究二维系统中的超导量子相变提供了平台，有助于将超导器件集成到半导体技术中。

【图文导读】

图1. 在4英寸的内在锗晶片内的石墨烯——锡纳米岛杂化系统

a由锡纳米岛修饰的单晶单层石墨烯组成的设计系统的示意图;

b原子力显微镜(AFM)在单晶石墨烯上自组装厚度为10 nm的不连续锡岛的图像;

c .石墨烯上截面为10 nm厚的不连续锡纳米岛的STEM图像，以及显示Sn和Ge分布的相应STEM - EDS映射图像;

d在4英寸本征锗晶片上制造的测试器件矩阵的照片;

e放大图显示了组装成一个阵列的九个单独的超导器件;

图2. 石墨烯-锡纳米岛阵列的二维超导电性

a四端薄层电阻(Rs)与温度(T)的关系;

b 作为角度θ的函数的上临界场Hc2;

c 在不同温度下，电压-电流(V-I)曲线呈对数标度;

图3. 石墨烯-锡纳米岛阵列中观察到两个QPTs

a对于0至3千欧的不同磁场H，薄层电阻Rs是温度T的函数;

b、c分别从磁场为2.4至3千欧和1.4至2.4千欧的低温区(0.05至0.30千欧)和高温区( 2.0至3.0千欧)收集的详细数据;

图4. 石墨烯-锡纳米岛阵列中超导体-绝缘体量子相变的标度行为

a对于2至2.5k的不同温度，方块电阻Rs与磁场H的函数；

b通过优化a中相同数据得到的QPT的有限尺寸标度分析；

c 对于0.05至0.2k的不同温度，方块电阻Rs与磁场H的函数；

d通过优化c中相同数据得到的QPT的有限尺寸标度分析；

图5. 石墨烯——锡纳米岛杂化阵列的H–T相图

Tpeak1 (黑色正方形)、Tpeak2 (红色圆圈)、HTCR (黑色实线)和LTCR (红色实线)将超导区(dρ/dT > 0)和弱定位金属区(dρ/dT < 0)分开。

【总结】

综上所述，在本征锗(110)晶片上合成了由超导锡纳米岛和单晶单层石墨烯组成的二维超导体。这种混合系统可以直观地再现氧化物界面处假设的超导puddles - 2DEG系统，并且由磁场感应的预期两个QPTs如通过磁阻的FSS分析识别的那样再现。构造的H - T相图表明，两个QPTs分别对应于锡纳米岛内超导性和锡纳米岛间超导性。本研究为二维超导量子力学的研究提供了一个理想的可视化平台。此外，构建在半导体锗晶片上的超导器件阵列为超导器件与现有半导体技术的集成提供了巨大的潜力。

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

本文由材料人电子电工学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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