Destroying The Superconductivity In A Kagome Metal: Electronic Control Of Quantum Transitions In Candidate Material For Future Low-energy Electronics

Trang Chủ > Ấn Bản > Phá hủy tính siêu dẫn trong kim loại kagome: Điều khiển điện tử các chuyển đổi lượng tử trong vật liệu ứng cử viên cho các thiết bị điện tử năng lượng thấp trong tương lai

Đồng tác giả đầu tiên của FLEET Nghiên cứu viên Tiến sĩ Cheng Tan (RMIT) CREDIT FLEET

Đồng tác giả đầu tiên Nghiên cứu viên FLEET Tiến sĩ Cheng Tan (RMIT) TÍN DỤNG
VÒI

Tóm tắt:
Quá trình chuyển đổi từ chất siêu dẫn sang “chất cách điện hỏng” được điều khiển bằng điện và hiệu ứng Hall dị thường khổng lồ trong kim loại kagome CsV3Sb5

Phá hủy tính siêu dẫn trong kim loại kagome: Điều khiển điện tử của quá trình chuyển đổi lượng tử trong vật liệu ứng cử viên cho thiết bị điện tử năng lượng thấp trong tương lai

Melbourne, Úc | Đăng ngày 3 tháng 2023 năm XNUMX

Một dự án hợp tác quốc tế mới do RMIT dẫn đầu được công bố vào tháng XNUMX đã lần đầu tiên phát hiện ra một quá trình chuyển đổi từ chất siêu dẫn sang chất cách điện bosonic gây ra rối loạn khác biệt.

Khám phá phác thảo một bức tranh toàn cầu về hiệu ứng Hall dị thường khổng lồ và cho thấy mối tương quan của nó với sóng mật độ điện tích khác thường trong họ kim loại AV3Sb5 kagome, với các ứng dụng tiềm năng trong thiết bị điện tử năng lượng cực thấp trong tương lai.

Các chất siêu dẫn, có thể truyền điện mà không tiêu tán năng lượng, hứa hẹn rất nhiều cho sự phát triển của các công nghệ điện tử năng lượng thấp trong tương lai và đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như tàu lượn và nam châm cường độ cao (chẳng hạn như MRI y tế).

Tuy nhiên, chính xác cách thức siêu dẫn hình thành và hoạt động trong nhiều vật liệu vẫn là một vấn đề chưa được giải quyết và hạn chế các ứng dụng của nó.

Gần đây, một họ chất siêu dẫn kagome mới AV₃Sb₅ đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt vì những tính chất mới lạ của chúng. Các vật liệu 'Kagome' có một mạng lưới khác thường được đặt tên theo kiểu đan rổ của Nhật Bản với các hình tam giác chia góc.

Các vật liệu AV₃Sb₅ (trong đó A đề cập đến caesi, rubidi hoặc kali) cung cấp nền tảng lý tưởng cho các nghiên cứu vật lý như cấu trúc liên kết và mối tương quan chặt chẽ, nhưng mặc dù có nhiều cuộc điều tra gần đây, nguồn gốc của hiệu ứng Hall dị thường khổng lồ và tính siêu dẫn của vật liệu vẫn còn gây tranh cãi.

Sự hợp tác do FLEET dẫn đầu giữa các nhà nghiên cứu tại Đại học RMIT (Úc) và tổ chức đối tác Phòng thí nghiệm Từ trường Cao (Trung Quốc) lần đầu tiên xác nhận khả năng điều khiển điện của tính siêu dẫn và AHE trong kim loại van der Waals kagome CsV3Sb5.

Thao tác với hiệu ứng Hall dị thường khổng lồ thông qua sự xen kẽ proton có thể đảo ngược

Sở hữu các dải electron tôpô và sự thất vọng hình học của mạng vanadi, các kim loại kagome phân lớp AV3Sb5 đã thu hút sự quan tâm lớn trong vật lý vật chất ngưng tụ do nhiều hiện tượng lượng tử mà chúng hỗ trợ, bao gồm:

thứ tự chủ đề độc đáo, mới lạ
thứ tự mật độ điện tích bất đối
hiệu ứng Hall dị thường khổng lồ (AHE), và
sự tương tác giữa tính siêu dẫn hai khe hở và sóng mật độ điện tích (CDW) trong AV3Sb5.
Hơn nữa, nguồn gốc của AHE khổng lồ trong AV3Sb5 và mối tương quan của nó với CDW đối kháng vẫn còn khó nắm bắt, mặc dù có một số cơ chế được đề xuất gần đây bao gồm sự tán xạ lệch bên ngoài của các quasiparticle Dirac với mạng con từ tính thất vọng, dòng quỹ đạo của trật tự điện tích đối kháng mới và dòng đối kháng giai đoạn trong giai đoạn CDW.

“Cho đến nay, chúng tôi đã thu được nhiều kết quả hấp dẫn với kỹ thuật cổng proton trong các thiết bị spintronic vdW. Vì kỹ thuật này có thể điều chỉnh hiệu quả mật độ sóng mang lên tới 1021 cm-3, nên chúng tôi muốn áp dụng nó trên AV3Sb5, nơi có mật độ sóng mang tương tự.” tác giả đầu tiên của nghiên cứu mới, Nghiên cứu viên FLEET Tiến sĩ Guolin Zheng (RMIT) cho biết.

“Khả năng điều chỉnh mật độ sóng mang và các bề mặt Fermi tương ứng sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc hiểu và điều khiển các trạng thái lượng tử mới lạ này và có khả năng nhận ra một số chuyển pha lượng tử kỳ lạ.”

Nhóm đã chọn thử nghiệm lý thuyết này trên CsV3Sb5, có khả năng có không gian nguyên tử dự phòng lớn nhất để xen kẽ proton. Các thiết bị được thiết kế và chế tạo dễ dàng dựa trên kinh nghiệm phong phú của nhóm trong lĩnh vực này.

Kết quả tiếp theo của họ với CsV3Sb5 phụ thuộc rất nhiều vào độ dày của vật liệu.

Đồng tác giả đầu tiên, Nghiên cứu viên FLEET, Tiến sĩ Cheng Tan (RMIT), cho biết: “Rất khó điều chỉnh hiệu quả các bông nano 'dày hơn' (hơn 100 nm).

“Nhưng khi độ dày giảm xuống khoảng 40 nm, việc bơm proton trở nên khá dễ dàng,” Cheng nói. “Chúng tôi thậm chí còn phát hiện ra rằng việc tiêm rất có thể đảo ngược. Thật vậy, chúng tôi hiếm khi gặp một vật liệu thân thiện với proton như vậy!”

Thật thú vị, với sự xen kẽ proton đang phát triển, loại hạt tải điện (hoặc 'dấu hiệu' của hiệu ứng Hall) có thể được điều chỉnh thành loại lỗ trống hoặc loại electron và biên độ của AHE đạt được cũng được điều chỉnh một cách hiệu quả.

Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm sâu hơn chỉ ra rằng sự điều biến mạnh mẽ này của AHE khổng lồ bắt nguồn từ sự dịch chuyển cấp độ Fermi trong các cấu trúc dải được tái tạo.

Guolin giải thích: “Kết quả của AHE có kiểm soát cũng tiết lộ rằng nguồn gốc khả dĩ nhất của AHE là sự tán xạ lệch và điều này càng cải thiện hiểu biết của chúng ta về kim loại kagome”. “Nhưng chúng tôi vẫn chưa quan sát thấy quá trình chuyển đổi chất siêu dẫn-chất cách điện trong các sợi nano 40 nm.”

“Chúng tôi phải thử thêm các bông nano CsV3Sb5 mỏng hơn để khám phá điều này.”

Sự xen kẽ proton gây ra quá trình chuyển đổi từ chất siêu dẫn sang 'chất cách điện thất bại'

Sự cùng tồn tại duy nhất của các mối tương quan điện tử và cấu trúc liên kết dải trong AV3Sb5 cho phép nghiên cứu các chuyển đổi hấp dẫn của các trạng thái tương quan này, chẳng hạn như chuyển đổi chất siêu dẫn-chất cách điện, chuyển pha lượng tử thường được điều chỉnh bởi các rối loạn, từ trường và cổng điện.

Bằng cách giảm số lớp nguyên tử, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các bước tiếp theo để khám phá các chuyển pha lượng tử tiềm ẩn trong CsV3Sb5.

Cheng cho biết: “Lúc đầu, tôi trực tiếp thử một số bông nano siêu mỏng 10 nm. “Tôi đã quan sát thấy rằng nhiệt độ tới hạn của pha siêu dẫn giảm khi sự xen kẽ proton tăng lên, nhưng tôi không thể khẳng định chắc chắn rằng tính siêu dẫn đã biến mất, vì nó có thể vẫn tồn tại ở nhiệt độ milliKelvin, nơi chúng ta không thể đạt tới. Ngoài ra, các thiết bị rất dễ vỡ khi tôi cố gắng tăng thêm sự xen kẽ proton.”

Vì vậy, Cheng đã thay đổi chiến lược và xử lý các bông nano dày hơn 10~20nm, cũng như thử các vật liệu điện cực khác nhau để tìm kiếm sự tiếp xúc điện tốt hơn.

Chiến lược này đã đạt được thành công. Thật ngạc nhiên, đội nghiên cứu đã quan sát thấy rằng nhiệt độ tới hạn của pha CDW giảm và các đường cong điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ thể hiện sự chuyển đổi rõ ràng từ chất siêu dẫn sang chất cách điện khi lượng proton tăng lên.

“Sự xen kẽ proton đã gây ra rối loạn và triệt tiêu cả CDW và sự kết hợp pha siêu dẫn,” tác giả đóng góp A/Prof Lan Wang (cũng tại RMIT) cho biết. “Và điều này đã dẫn đến quá trình chuyển đổi chất siêu dẫn thành chất cách điện liên kết với các cặp Cooper cục bộ và có điện trở tấm bão hòa đạt tới 106 Ω đối với nhiệt độ gần bằng XNUMX, được gọi là 'chất cách điện hỏng'”.

“Công việc của chúng tôi phát hiện ra một quá trình chuyển đổi chất cách điện siêu dẫn bosonic gây rối loạn riêng biệt, phác thảo một bức tranh toàn cầu về AHE khổng lồ và tiết lộ mối tương quan của nó với CDW độc đáo trong họ AV3Sb5.”

“Sự chuyển đổi quan trọng giữa chất siêu dẫn và chất cách điện được điều khiển bằng điện và hiệu ứng Hall dị thường trong kim loại kagome sẽ truyền cảm hứng cho nhiều nghiên cứu hơn về vật lý hấp dẫn có liên quan, với hứa hẹn cho các thiết bị điện tử nano tiết kiệm năng lượng.”

Nghiên cứu

“Quá trình chuyển đổi chất cách điện thành chất siêu dẫn được điều khiển bằng điện và hiệu ứng Hall dị thường khổng lồ trong các sợi nano CsV3Sb5 kim loại kagome” đã được xuất bản trên tạp chí Nature Communications vào tháng 2023 năm 10.1038. (DOI: 41467/s023-36208-6-XNUMX)

Ngoài sự hỗ trợ từ Hội đồng Nghiên cứu Úc, Quỹ Khoa học Tự nhiên Trung Quốc, Chương trình Nghiên cứu và Phát triển Trọng điểm Quốc gia của MOST Trung Quốc, Quỹ Giám đốc HFIPS và Quỹ Giám đốc CASHIPS cũng cung cấp hỗ trợ. Công trình này cũng được hỗ trợ một phần bởi Hiệp hội Xúc tiến Sáng tạo Thanh niên của CAS và Phòng thí nghiệm Từ trường Cao (Trung Quốc).

Nghiên cứu thử nghiệm đã được thực hiện tại Cơ sở Nghiên cứu Nano Vi mô RMIT (MNRF) ở Nút Victoria của Cơ sở Chế tạo Quốc gia Úc (ANFF) và Cơ sở Phân tích vi mô và Kính hiển vi RMIT (RMMF).

Các chất siêu dẫn được nghiên cứu trong FLEET hỗ trợ công nghệ B — chế tạo thiết bị nano, một Trung tâm Xuất sắc của Hội đồng Nghiên cứu Úc. Trung tâm Công nghệ Điện tử Năng lượng Thấp trong Tương lai (FLEET) tập hợp hơn một trăm chuyên gia Úc và quốc tế, với sứ mệnh chung là phát triển một thế hệ điện tử năng lượng cực thấp mới. Động lực đằng sau công việc như vậy là thách thức ngày càng tăng về năng lượng được sử dụng trong tính toán, sử dụng 5–8% điện năng toàn cầu và tăng gấp đôi sau mỗi thập kỷ.

Thông tin thêm

Liên hệ với bác sĩ Guolin Zheng
Liên hệ với bác sĩ Cheng Tan
Liên hệ PGS Lan Wang (RMIT)
Xem Các giải pháp trong tương lai để tính toán sử dụng năng lượng
Kết nối @FLEETCentre
** hình ảnh được công bố lần đầu trên tạp chí Nature Communications DOI 10.1038/s41467-023-36208-6

####

Để biết thêm thông tin, xin vui lòng bấm vào tại đây

Liên hệ:
Săn lùng
Trung tâm Xuất sắc ARC về Công nghệ Điện tử Năng lượng Thấp trong Tương lai
Văn phòng: 042-313-9210

Nếu bạn có một bình luận, xin vui lòng Liên hệ chúng tôi.

Các tổ chức phát hành tin tức, không phải 7th Wave, Inc. hay Nanotech Now, chỉ chịu trách nhiệm về tính chính xác của nội dung.

Bookmark: