[论文解读] Electric field control of disorder-tunable superconductivity and the emergence of quantum metal at an oxide interface
本研究展示了在LaAlO3/KTaO3(111)氧化物界面处通过电场调控超导性和量子金属态，其中栅压调制诱导出呈穹顶形状的超导转变温度（Tc ~2 K）依赖关系，且载流子密度变化可忽略不计。相反，通过空间载流子分布的工程调控，实现了局域 disorder 水平的调制，揭示了在超导-绝缘体相变附近存在一种非普遍性的临界行为的量子金属态。
We report on an extraordinary field effect of the superconducting LaAlO3/KTaO3(111) interface with Tc ~2 K. By applying a gate voltage (VG) across KTaO3, the interface can be continuously tuned from superconducting into insulating states, yielding a dome-shaped Tc-VG dependence. The electric gating has only a minor effect on carrier density as evidenced in the Hall-effect measurement, while it changes spatial profile of the carriers in the interface, hence the carrier's disorder level significantly. As temperature is decreased, the resistance saturates at lowest temperature in both superconducting and insulating sides, despite an initial dramatic dropping or increasing, which suggests an emergence of quantum metallic state associated with failed superconductor and/or fragile insulator. A VG-modulation of the magnetic-field-driven superconductor to insulator quantum phase transition reveals a non-universal criticality.
研究动机与目标
- 探索在可调 disorder 的氧化物异质结构中通过电场调控超导性的机制。
- 研究在超导-绝缘体量子相变附近量子金属行为的出现机制。
- 确定载流子局域化与空间分布对调控超导态和绝缘态的作用。
- 探究二维超导体中量子临界性的普遍性。
提出的方法
- 通过在KTaO3上施加栅压（VG），调控LaAlO3/KTaO3(111)界面的电子态。
- 霍尔效应测量表明，VG变化下载流子密度几乎不变，证实 disorder 是主要调控参数。
- 输运测量跟踪电阻率和Tc随VG及温度的变化，揭示了Tc-VG的穹顶形依赖关系。
- 在超导相和绝缘相中，低温电阻均出现饱和，表明存在量子金属行为。
- 在不同VG下，通过外加磁场探测超导-绝缘相变，以评估临界行为。
- 从VG依赖的量子相变中提取出非普遍性临界行为。
实验结果
研究问题
- RQ1在LaAlO3/KTaO3(111)界面中，电场栅压如何在不改变载流子密度的情况下调控超导性？
- RQ2载流子 disorder 和空间分布在此过程中对实现超导性和量子金属态起到何种作用？
- RQ3超导-绝缘体量子相变是否表现出普遍性或非普遍性临界行为？
- RQ4在栅压调制下，量子金属行为是否可在超导相和绝缘相中同时出现？
主要发现
- 观测到超导转变温度（Tc ~2 K）随栅压（VG）呈现穹顶形依赖关系，表明超导性可被有效调控。
- 霍尔测量显示，VG变化下载流子密度几乎无变化，确认 disorder 而非载流子密度是主要调控参数。
- 在超导相和绝缘相中，低温电阻均出现饱和，表明量子金属态的出现。
- 在栅压调制下，超导-绝缘体量子相变表现出非普遍性临界行为。
- 即使在缺乏长程超导序的条件下，系统在量子临界点附近仍表现出稳健的量子金属态。
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