來源 | 物理研究所
近年來，利用離子液體作為電介質進行電場調控物性的研究引起了凝聚態物理領域的極大關注，其中電荷雙層三極管成為一種典型的電場調控工具。通過改變柵極電壓的方向和大小，相應類型的載流子能夠在納米級厚度的樣品表面聚集，進而改變樣品表面附近的物理屬性。因此，具有乾淨且平整表面的層狀化合物往往是此類研究的對象。但是，此類電場誘發物性的最重要特點是，一旦在電介質的液體狀態下釋放柵極電壓，這類電荷雙層誘導的局域物性將會迅速消失，從而限制了對誘發物性進行更深入和更全面的機制研究。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心超導國家重點實驗室SC10組副研究員張帥和博士生高默然、王欣敏，碩士聯培生傅煥儼在課題組長陳根富的指導下，在層狀氮化物MNCl (M: Hf, Zr)的電場調控研究中取得新進展，實現了電場誘導的永久超導電性，並對其機制進行了全面和深入的研究。電場誘發的部分Cl離子空位會對體系產生電子摻雜，並最終形成不可逆的穩態超導轉變。這為在具有類似結構的低維化合物中探索和研究超導電性提供了新的實驗思路和視野。
張帥與學生們共同設計了一種易於操作的電場調控方法，並用該方法對母體為絕緣體的層狀氮化物MNCl (M: Hf, Zr)進行了詳細的電場調控實驗。研究發現，在較低溫度(220 K)進行電場調控時，隨溫度變化的電阻R(T)中觀察到電場誘導的絕緣體-超導轉變，Tc在24和15 K附近。在施加反向柵極電壓或者長時間的無電壓弛豫之後，
R(T)能再次恢復到與母體相似的絕緣體狀態，這和傳統的電荷雙層超導態一致。與此相對，在較高溫度(250 K)進行電場調控時，誘發的超導狀態不再被反向柵極電壓或者長時間的無電壓弛豫所破壞，而永久停留在樣品內部。用來測試R(T)的單晶樣品在隨後的磁性M(T)測量中也在相應溫度確認了超導狀態引起的抗磁性信號，直接證明了此超導電性的永久屬性。同樣的電場調控方法被成功推廣到大尺寸的單晶和多晶樣品中。常規的電場調控中，電場誘發的離子插層效果在施加相反方向的柵極電壓時會出現相反結果。因此，R(T)中不可逆的絕緣體-超導轉變已經排除了電場誘發離子插層的可能性。相同的柵極電壓在不同溫度下產生了可逆和不可逆兩種截然不同的實驗結果，暗示了溫度在利用離子液體進行電場調控時的重要作用。離子液體的電化學窗口是隨著溫度的升高而減小的。在較高溫度(250 K)施加接近離子液體電化學窗口的柵極電壓會誘導樣品表面產生不可逆的化學反應。結合實驗中觀察到的永久超導電性，研究人員認為不可逆的絕緣體-超導轉變源自於電場調控誘發部分Cl離子空位的形成，從而導致對體系的永久性的電子注入。類似的絕緣體-金屬轉變現象在VO
2的研究中曾經有所報道。穩定持久的超導狀態為更詳盡的物性實驗提供了研究對象。該工作中發現的電場效應和電化學機制，克服了傳統電荷雙層三極管的一些限制，拓展了通過離子液體進行電場調控物性的功能，在相似低維材料中探索新型超導體方面顯示了巨大潛力。
上述研究結果作為Express Letter發表於Chin. Phys. Lett. 35 097401(2018)。該研究工作得到國家自然科學基金(11704403)、國家重點研發計劃(2016YFA0401000, 2016YFA0300604)、中科院B類先導(XDB07020100)等的支持。
論文鏈接：
http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/35/9/097401
圖1. 實驗中使用的大塊體單晶樣品和自主設計的電場調控裝置。
圖2. 在220K和250 K進行電場調控的對比實驗。
圖3. 在220K和250 K進行正反電場調控及Cl離子空位形成的概念模型。
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