层状氮化物MNCl (M: Hf, Zr)中电场诱导的稳态超导电性

近年来，利用离子液体作为电介质进行电场调控物性的研究引起了凝聚态物理领域的极大关注，其中电荷双层三极管成为了一种典型的电场调控工具。离子液体被添加在样品表面的源电极和悬空的门电极之间。通过改变栅极电压的方向和大小，离子液体中的正负离子会在电场作用下向相反方向移动，在门电极和样品表面产生不同离子的聚集。与此相对，相应类型的载流子能够在纳米级厚度的样品表面聚集，进而改变样品表面附近的物理属性，且这些改变可以被样品表面的电输运实验进行探知。因此，利用离子液体进行电场调控的实验技术是一种不破坏样品内部结构的，“纯净的”载流子调控手段。但是，此类电场诱发的物性具有一个最重要特点是，一旦在离子液体的液态下释放栅极电压，极化的离子和样品内部引入的载流子会迅速恢复平衡，这类电荷双层诱导的局域物性将会相应地消失，从而限制了对诱导物性进行更深入和更全面的机制研究。

图1. 实验中使用的大块体单晶样品和自主设计的电场调控装置。

张帅副研究员与学生们共同设计了一种易于操作的电场调控方法，并用该方法对母体为绝缘体的层状氮化物MNCl (M: Hf, Zr)进行了详细的电场调控实验。研究发现，在较低温度(220 K)进行电场调控时，随温度变化的电阻R(T)中观察到电场诱导的绝缘体-超导转变，Tc在24和15 K附近。在施加反向栅极电压或者长时间的无电压弛豫之后，R(T)能再次恢复到与母体相似的绝缘体状态，这和传统的电荷双层超导态一致。与此相对，在较高温度(250 K)进行电场调控时，诱发的超导状态不再被反向栅极电压或者长时间的无电压弛豫所破坏，而永久的停留在样品内部。用来测试R(T)的单晶样品在随后的磁性M(T )测量中也在相应温度确认了超导状态引起的抗磁性信号，直接证明了此超导电性的永久属性。同样的电场调控方法被成功推广到大尺寸的单晶和多晶样品。

图2. 在220K和250 K进行电场调控的对比实验。

常规的电场调控中，电场诱发的离子插层效果在施加相反方向的栅极电压时会出现相反结果。因此，R(T )中不可逆的绝缘体-超导转变已经排除了电场诱发离子插层的可能性。相同的栅极电压在不同温度下产生了可逆和不可逆两种截然不同的实验结果，暗示了温度在利用离子液体进行电场调控时的重要作用。离子液体的电化学窗口是随着温度的升高而减小的。在较高温度(250 K)施加接近离子液体电化学窗口的栅极电压会诱导样品表面产生不可逆的化学反应。结合实验中观察到的永久超导电性，我们认为不可逆的绝缘体-超导转变源自于电场调控诱发部分Cl离子空位的形成，从而导致对体系的永久性的电子注入。类似的绝缘体-金属转变现象在VO2的研究中曾经有所报导。

图3. 在220K和250 K进行正反电场调控及Cl离子空位形成的概念模型。

稳定持久的超导状态为更详尽的物性实验提供了研究对象。该工作中发现的电场效应和电化学机制，克服了传统电荷双层三极管的一些限制，拓展了通过离子液体进行电场调控物性的功能，在相似低维材料中探索新型超导体方面显示了巨大潜力。

上述研究结果作为Express Letter发表在Chin. Phys. Lett. 35 097401(2018)。该研究工作得到了国家自然科学基金(11704403)、国家重点研发计划(2016YFA0401000, 2016YFA0300604)、中科院B类先导(XDB07020100)等项目的支持。

论文链接：

http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/35/9/097401

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