De supergeleiding vernietigen in een Kagome-metaal: elektronische controle van kwantumovergangen in kandidaat-materiaal voor toekomstige energiezuinige elektronica

Home > Media > Vernietiging van de supergeleiding in een kagome-metaal: elektronische controle van kwantumovergangen in kandidaat-materiaal voor toekomstige energiezuinige elektronica

Co-eerste auteur FLEET Research Fellow Dr. Cheng Tan (RMIT) CREDIT FLEET

Co-eerste auteur FLEET Research Fellow Dr. Cheng Tan (RMIT) CREDIT
VLOOT

Abstract:
Elektrisch gestuurde overgang van supergeleider naar "mislukte isolator" en gigantisch abnormaal Hall-effect in het kagome-metaal CsV3Sb5

De supergeleiding in een kagome-metaal vernietigen: elektronische controle van kwantumovergangen in kandidaat-materiaal voor toekomstige energiezuinige elektronica

Melbourne, Australië | Geplaatst op 3 maart 2023

Een nieuwe door RMIT geleide internationale samenwerking die in februari is gepubliceerd, heeft voor het eerst een duidelijke door wanorde aangestuurde overgang van bosonische supergeleider-isolator blootgelegd.

De ontdekking schetst een globaal beeld van het gigantische afwijkende Hall-effect en onthult de correlatie ervan met de onconventionele ladingsdichtheidsgolf in de AV3Sb5 kagome-metaalfamilie, met mogelijke toepassingen in toekomstige ultra-lage-energie-elektronica.

Supergeleiders, die elektriciteit kunnen overbrengen zonder energieverlies, zijn veelbelovend voor de ontwikkeling van toekomstige energiezuinige elektronicatechnologieën en worden al toegepast op diverse gebieden, zoals zweeftreinen en zeer sterke magneten (zoals medische MRI's).

Hoe de supergeleiding zich in veel materialen precies vormt en werkt, blijft echter een onopgelost probleem en beperkt de toepassingen ervan.

Onlangs heeft een nieuwe Kagome-supergeleiderfamilie AV₃Sb₅ veel belangstelling gewekt voor hun nieuwe eigenschappen. 'Kagome'-materialen hebben een ongewoon rooster dat is vernoemd naar een Japans mandenvlechtpatroon met hoekdelende driehoeken.

De AV₃Sb₅-materialen (waarbij A verwijst naar cesium, rubidium of kalium) bieden ideale platforms voor natuurkundige studies zoals topologie en sterke correlaties, maar ondanks veel recent onderzoek blijft de oorsprong van het gigantische afwijkende Hall-effect en de supergeleiding van het materiaal ter discussie staan.

De door FLEET geleide samenwerking van onderzoekers van RMIT University (Australië) en partnerorganisatie het High Magnetic Field Laboratory (China) bevestigen voor het eerst de elektrische controle van supergeleiding en AHE in een van der Waals kagome metal CsV3Sb5.

Manipuleren van gigantisch abnormaal Hall-effect via reversibele intercalatie van protonen

Met topologische elektronenbanden en geometrische frustratie van vanadiumroosters, hebben de gelaagde kagome-metalen AV3Sb5 grote belangstelling gewekt voor de fysica van de gecondenseerde materie vanwege de vele kwantumfenomenen die ze ondersteunen, waaronder:

onconventionele, nieuwe nematische orde
chirale orde van ladingsdichtheid
gigantisch abnormaal Hall-effect (AHE), en
het samenspel tussen supergeleiding met twee gaten en ladingsdichtheidsgolf (CDW) in AV3Sb5.
Bovendien blijven de oorsprong van gigantische AHE in AV3Sb5 en de correlatie ervan met chirale CDW ongrijpbaar, ondanks verschillende recent voorgestelde mechanismen, waaronder de extrinsieke scheve verstrooiing van Dirac-quasideeltjes met gefrustreerd magnetisch subrooster, de orbitale stromen van nieuwe chirale ladingsvolgorde en de chirale flux fase in de CDW-fase.

“Tot nu toe hadden we veel intrigerende resultaten bereikt met de protonenpoorttechniek in vdW-spintronische apparaten. Aangezien deze techniek de draaggolfdichtheid effectief kan moduleren tot 1021 cm-3, willen we deze toepassen op AV3Sb5, die een vergelijkbare draaggolfdichtheid heeft.” zegt de eerste auteur van de nieuwe studie, FLEET Research Fellow Dr. Guolin Zheng (RMIT).

"Het vermogen om de dragerdichtheid en de bijbehorende Fermi-oppervlakken af te stemmen, zou een cruciale rol spelen bij het begrijpen en manipuleren van deze nieuwe kwantumtoestanden en zou mogelijk enkele exotische kwantumfase-overgangen realiseren."

Het team koos ervoor om deze theorie te testen op CsV3Sb5, dat mogelijk de grootste reserve-atoomruimte heeft voor proton-intercalatie. De apparaten konden eenvoudig worden ontworpen en vervaardigd op basis van de rijke ervaring van het team op dit gebied.

Hun latere resultaten met CsV3Sb5 waren sterk afhankelijk van de materiaaldikte.

"Het was erg moeilijk om de 'dikkere' nanovlokken (meer dan 100 nm) effectief te moduleren", zegt co-eerste auteur, FLEET Research Fellow Dr. Cheng Tan (RMIT).

"Maar toen de dikte afnam tot ongeveer 40 nm, werd de injectie van het proton vrij eenvoudig", zegt Cheng. “We ontdekten zelfs dat de injectie zeer omkeerbaar is. Inderdaad, zo'n protonvriendelijk materiaal zijn we zelden tegengekomen!”

Interessant is dat met de evoluerende intercalatie van protonen het dragertype (of het 'teken' van het Hall-effect) kon worden gemoduleerd naar het type gat of het elektron en dat de amplitude van de bereikte AHE's ook effectief werd afgestemd.

Verdere experimentele en theoretische onderzoeken geven aan dat deze dramatische modulatie van gigantische AHE afkomstig is van de Fermi-niveauverschuiving in de gereconstrueerde bandstructuren.

"De resultaten van de gated AHE onthulden ook dat de meest mogelijke oorsprong van de AHE scheve verstrooiing is en dit verbetert ons begrip van het kagome-metaal verder", legt Guolin uit. "Maar we hebben de overgang van supergeleider naar isolator nog niet waargenomen in nanovlokken van 40 nm."

"We moeten dunnere CsV3Sb5-nanovlokken verder proberen om dit te onderzoeken."

Proton-intercalatie veroorzaakte de overgang van supergeleider naar 'mislukte isolator'

Het unieke naast elkaar bestaan van elektronische correlaties en bandtopologie in AV3Sb5 maakt het mogelijk om intrigerende overgangen van deze gecorreleerde toestanden te onderzoeken, zoals supergeleider-isolatorovergang, een kwantumfase-overgang die meestal wordt afgestemd door stoornissen, magnetische velden en elektrische poorten.

Door het aantal atomaire lagen te verminderen, ondernam het team verdere stappen om de potentiële kwantumfase-overgangen in CsV3Sb5 te onderzoeken.

"In eerste instantie probeerde ik direct zo'n 10 nm ultradunne nanoflakes", zegt Cheng. "Ik heb wel waargenomen dat de kritische temperaturen van de supergeleidingsfase afnamen met de toenemende intercalatie van protonen, maar ik kon niet definitief bevestigen dat de supergeleiding verdween, aangezien het nog steeds kan bestaan bij temperaturen van milliKelvin, waar we niet kunnen komen. Ook waren de apparaten erg kwetsbaar toen ik probeerde de intercalatie van protonen verder te vergroten.

Dus Cheng veranderde de strategie en behandelde de 10 ~ 20 nm dikkere nanovlokken, en probeerde ook verschillende elektrodematerialen om een beter elektrisch contact te zoeken.

Deze strategie had succes. Het team merkte verrassend genoeg op dat de kritische temperatuur van de CDW-fase afnam en dat de temperatuurafhankelijke weerstandscurven een duidelijke overgang van supergeleider naar isolator vertonen bij toenemende protoneninjectie.

"De intercalatie van protonen introduceerde de stoornis en onderdrukte zowel CDW als supergeleidende fasecoherentie", zegt bijdragende auteur A / Prof Lan Wang (ook bij RMIT). "En dit leidde tot een overgang van supergeleider naar isolator geassocieerd met gelokaliseerde Cooper-paren en met een verzadigde plaatweerstand die kan oplopen tot 106 Ω voor een temperatuur die nul nadert, een 'failed isolator' genoemd".

"Ons werk onthult een duidelijke wanorde-gedreven bosonische supergeleider-isolatorovergang, schetst een globaal beeld van de gigantische AHE en onthult de correlatie met de onconventionele CDW in de AV3Sb5-familie."

"Deze significante en elektrisch gestuurde supergeleider-isolatorovergang en het abnormale Hall-effect in kagome-metalen zouden meer onderzoek naar de relevante intrigerende fysica moeten inspireren, met belofte voor energiebesparende nano-elektronische apparaten."

De studie

"Electrically controlled superconductor-tofailed isolator transition and giant anomalous Hall effect in kagome metal CsV3Sb5 nanoflakes" werd gepubliceerd in Nature Communications in februari 2023. (DOI: 10.1038/s41467-023-36208-6)

Naast de steun van de Australian Research Council werd er ook steun verleend door de Natural Science Foundation of China, het National Key R&D Program of the MOST of China, het HFIPS Director's Fund en het CASHIPS Director's Fund. Dit werk werd ook gedeeltelijk ondersteund door de Youth Innovation Promotion Association van CAS en het High Magnetic Field Laboratory (China).

Experimenteel onderzoek werd uitgevoerd bij de RMIT Micro Nano Research Facility (MNRF) in het Victoriaanse knooppunt van de Australian National Fabrication Facility (ANFF) en de RMIT Microscopy and Microanalysis Facility (RMMF).

Supergeleiders worden bestudeerd binnen FLEET-enabling technology B — nano-device fabricage, een Centre of Excellence van de Australian Research Council. Het Centre for Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) brengt meer dan honderd Australische en internationale experts samen, met de gedeelde missie om een nieuwe generatie ultra-lage-energie-elektronica te ontwikkelen. De drijfveer achter dergelijk werk is de toenemende uitdaging van energie die wordt gebruikt bij berekeningen, die 5-8% van de wereldwijde elektriciteit verbruikt en elk decennium verdubbelt.

Meer informatie

Neem contact op met dr. Guolin Zheng
Neem contact op met dr. Cheng Tan
Neem contact op met A/Prof Lan Wang (RMIT)
Bekijk Toekomstige oplossingen voor het berekenen van energieverbruik
Verbind @FLEETCentre
** afbeeldingen voor het eerst gepubliceerd in Nature Communications DOI 10.1038/s41467-023-36208-6

####

Voor meer informatie, klik hier

Kontakte:
Errol jacht
ARC Centre of Excellence in toekomstige energiezuinige elektronicatechnologieën
Office: 042-313-9210

Als u een opmerking heeft, alstublieft Neem contact op met ons op.

Uitgevers van nieuwsberichten, niet 7th Wave, Inc. of Nanotechnology Now, zijn zelf verantwoordelijk voor de juistheid van de inhoud.

Bladwijzer: