近日，中科院合肥研究院強(qiáng)磁場中心低功耗量子材料研究團(tuán)隊與國內(nèi)外研究團(tuán)隊合作，利用質(zhì)子門電壓技術(shù)在籠目金屬CsV₃Sb₅中實現(xiàn)了超導(dǎo)-絕緣體相變以及反常霍爾效應(yīng)的電調(diào)控。研究成果在線發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。 

　　拓?fù)浠\目金屬體系由于電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)以及非平庸的能帶結(jié)構(gòu)使其展現(xiàn)出豐富的物性，包括非常規(guī)超導(dǎo)電性、電荷密度波以及巨大的反常霍爾效應(yīng)(AHE)等。然而，目前人們對該體系中巨大反常霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的物理機(jī)理以及體系是否存在量子相變尚不清楚。利用門電壓技術(shù)實現(xiàn)這些電子關(guān)聯(lián)態(tài)以及反常霍爾效應(yīng)的調(diào)控有助于揭示其物理起源、發(fā)現(xiàn)新奇的量子現(xiàn)象、構(gòu)筑新型低功耗電子學(xué)器件。 

　　為此，強(qiáng)磁場中心陳正博士生長出了高質(zhì)量的CsV₃Sb₅單晶并在混合磁體上觀測到清晰的量子震蕩，如下圖（A）所示。隨后，鄭國林研究員與澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)談?wù)\博士利用新發(fā)展的固態(tài)質(zhì)子門電壓調(diào)控技術(shù)，系統(tǒng)地研究了不同厚度CsV₃Sb₅納米片在質(zhì)子門電壓調(diào)控下的低溫輸運特性。研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)子插層誘導(dǎo)的無序能很快抑制掉超薄CsV₃Sb₅納米片(25 nm以內(nèi))中的超導(dǎo)電性，且電阻-溫度（R-T）曲線在低溫下展現(xiàn)出了半導(dǎo)體特性。而在更大門電壓（>20 V）下，CsV₃Sb₅納米片在低溫下的方塊電阻（sheet resistance）達(dá)到10⁶ Ω以上，遠(yuǎn)大于庫伯對的量子電阻值(~6450Ω), 表明CsV₃Sb₅納米片在較強(qiáng)的無序下出現(xiàn)了超導(dǎo)-絕緣體相變 [下圖（B）]。而與傳統(tǒng)絕緣體不同的是，CsV₃Sb₅納米片絕緣態(tài)的電阻在溫度趨近于0 K時呈現(xiàn)出飽和的趨勢，這種非典型的“絕緣態(tài)”可能源于局域的庫伯對之間的有限隧穿。 

　　對于較厚的CsV₃Sb₅納米片(>40 nm)，研究人員發(fā)現(xiàn)較小的門電壓(<7V)不會改變超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，即無序效應(yīng)被極大地抑制。然而，低溫霍爾電阻的斜率在門電壓下被連續(xù)改變，表明在較厚的納米片中施加較小的質(zhì)子門電壓即可實現(xiàn)載流子濃度的大范圍調(diào)控。我們發(fā)現(xiàn)，體系中巨大的反常霍爾效應(yīng)發(fā)生在布里淵區(qū)中M點附近的空穴帶中（對應(yīng)的空穴濃度2x10²²cm^-3）,并且首次在電子帶中也觀測到大的反常霍爾效應(yīng)，如下圖（C）所示。結(jié)合理論分析與計算，我們發(fā)現(xiàn)體系中巨大的反常霍爾效應(yīng)主要起源于平帶中空穴的斜散射。 

　　強(qiáng)磁場中心鄭國林研究員為論文第一作者，談?wù)\博士和陳正博士為共同第一作者，田明亮研究員、周建輝研究員、寧偉研究員以及合肥工業(yè)大學(xué)王瀾教授為論文共同通訊作者。該工作得到了科技部、基金委、中科院、合肥研究院等項目的支持。論文中單晶的高場磁阻測試在穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實驗裝置（SHMFF）的混合磁體（45T）上完成。廈門大學(xué)王茂原副教授為該工作提供了計算支撐，強(qiáng)磁場中心朱相德研究員為單晶生長提供了幫助和指導(dǎo)。 

　　文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36208-6  

（A）CsV₃Sb₅單晶中高場量子震蕩。（B）超薄CsV₃Sb₅納米片中質(zhì)子插層誘導(dǎo)的超導(dǎo)-絕緣體相變。（C）反常霍爾電導(dǎo)對載流子濃度的依賴關(guān)系。