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低功耗量子材料科研团队在笼目金属CsV3Sb5中实现超导-绝缘体相变和反常霍尔效应的电调控

2023/02/10 浏览次数:733

时间:2023-02-10 作者:郑国林

近日,强磁场中心低功耗量子材料研究团队与国内外研究团队合作,利用质子门电压技术在笼目金属CsV3Sb5中实现了超导-绝缘体相变以及反常霍尔效应的电调控。研究成果以“Electrically controlled superconductor-to-failed insulator transition and giant anomalous Hall effect in kagome metal CsV3Sb5 nanoflakes”为题在线发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。

拓扑笼目金属体系由于电子关联效应以及非平庸的能带结构使其展现出丰富的物性,包括非常规超导电性、电荷密度波以及巨大的反常霍尔效应(AHE)等。然而,目前人们对该体系中巨大反常霍尔效应产生的物理机理以及体系是否存在量子相变尚不清楚。利用门电压技术实现这些电子关联态以及反常霍尔效应的调控有助于揭示反常霍尔的物理起源。

为此,强磁场中心陈正博士生长出了高质量的CsV3Sb5单晶并在混合磁体上观测到清晰的量子震荡,如下图(A)所示。随后,郑国林研究员与澳大利亚皇家墨尔本理工大学谈诚博士利用新发展的固态质子门电压调控技术,系统地研究了不同厚度CsV3Sb5纳米片在质子门电压调控下的低温输运特性。研究发现质子插层诱导的无序能很快抑制掉超薄CsV3Sb5纳米片(25 nm以内)中的超导电性,且电阻-温度(R-T)曲线在低温下展现出了半导体特性。而在更大门电压(>20 V)下,CsV3Sb5纳米片在低温下的方块电阻(sheet resistance)达到106 Ω以上,远大于库伯对的量子电阻值(~6450Ω), 表明CsV3Sb5纳米片在较强的无序下出现了超导-绝缘体相变 [下图(B]。而与传统绝缘体不同的是,CsV3Sb5纳米片绝缘态的电阻在温度趋近于0 K时呈现出饱和的趋势,这种非典型的绝缘态可能源于局域的库伯对之间的有限隧穿。

对于较厚的CsV3Sb5纳米片(>40 nm),研究人员发现较小的门电压(<7V)不会改变超导转变温度,即无序效应被极大地抑制。然而,低温霍尔电阻的斜率在门电压下被连续改变,表明在较厚的纳米片中施加较小的质子门电压即可实现载流子浓度的大范围调控。我们发现,体系中巨大的反常霍尔效应发生在布里渊区中M点附近的空穴带中(对应的空穴浓度2x1022cm-3,并且首次在电子带中也观测到大的反常霍尔效应,如下图(C)所示。结合理论分析与计算,我们发现体系中巨大的反常霍尔效应主要起源于平带中空穴的斜散射。

强磁场中心郑国林研究员为论文第一作者,谈诚博士和陈正博士为共同第一作者,田明亮研究员、周建辉研究员、宁伟研究员以及合肥工业大学王澜教授为论文共同通讯作者。该工作得到了科技部、基金委、中科院、合肥研究院等项目的支持。论文中单晶的高场磁阻测试在稳态强磁场实验装置(SHMFF)的混合磁体(45T)上完成。厦门大学王茂原副教授为该工作提供了计算支撑,强磁场中心朱相德研究员为单晶生长提供了帮助和指导。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-36208-6 

(A)CsV3Sb5单晶中高场量子震荡。(B)超薄CsV3Sb5纳米片中质子插层诱导的超导-绝缘体相变。(C)反常霍尔电导对载流子浓度的依赖关系。

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