中國科大在二維半金屬-二維超導(dǎo)體之間超流拖拽效應(yīng)研究中取得重要進(jìn)展

近日，中國科技大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心國際功能材料量子設(shè)計(jì)中心和物理系中科院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾長淦教授、李林副研究員研究團(tuán)隊(duì)與北京量子信息科學(xué)研究院解宏毅副研究員等合作，在二維電雙層結(jié)構(gòu)層間長程耦合研究方面取得重要進(jìn)展。通過構(gòu)筑石墨烯與氧化物界面超導(dǎo)體系的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)揭示了二維半金屬和二維超導(dǎo)體之間由于量子漲落誘導(dǎo)的巨幅超流拖拽效應(yīng)。相關(guān)研究成果以“Josephson-Coulomb drag effect between graphene and a LaAlO3/SrTiO3 superconductor”為題于1月12日以Article形式在線發(fā)表在《Nature Physics》上（DOI: 10.1038/s41567-022-01902-7）。

對于兩個(gè)空間相近但彼此絕緣的導(dǎo)電層構(gòu)成的電雙層結(jié)構(gòu)，在其中一層（主動(dòng)層）施加驅(qū)動(dòng)電流，層間載流子之間的耦合會(huì)在另一層（被動(dòng)層）中誘導(dǎo)產(chǎn)生一個(gè)開路電壓或閉路電流，即產(chǎn)生層間拖拽效應(yīng)。拖拽效應(yīng)可以探測掩蓋在界面處的載流子信息與可能的衍生物理，是表征新奇電子態(tài)的一種新型實(shí)驗(yàn)手段。更重要的是，基于二維電子氣之間的拖拽效應(yīng)，可以探索準(zhǔn)粒子的層間長程相互作用，發(fā)現(xiàn)如激子超流體等新穎層間關(guān)聯(lián)量子態(tài)。對于常規(guī)的層間電子-電子相互作用，由于較強(qiáng)的介電屏蔽效應(yīng)，被動(dòng)層中產(chǎn)生的拖拽電流比主動(dòng)層施加的驅(qū)動(dòng)電流通常要弱幾個(gè)數(shù)量級，即拖拽電流耦合比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1。而將其中一層或兩層替換成超導(dǎo)材料，將有望產(chǎn)生耦合比顯著增強(qiáng)的超流拖拽效應(yīng)。

基于此設(shè)想，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)筑了石墨烯與LaAlO3/SrTiO3異質(zhì)界面組成的二維半金屬**-**超導(dǎo)體電雙層結(jié)構(gòu)，并對其層間拖拽行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究。在此電雙層體系中，石墨烯層的載流子濃度/類型，以及LaAlO3/SrTiO3界面超導(dǎo)特性都可以通過柵壓進(jìn)行有效調(diào)控。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在LaAlO3/SrTiO3界面超導(dǎo)轉(zhuǎn)變區(qū)間，石墨烯層中施加驅(qū)動(dòng)電流可以在LaAlO3/SrTiO3界面誘導(dǎo)出巨幅拖拽電流，且強(qiáng)度可以通過柵壓/外磁場等進(jìn)行有效調(diào)控。特別是在界面超導(dǎo)最優(yōu)摻雜附近，拖拽電流耦合比達(dá)到0.3，即所產(chǎn)生的拖拽電流大小與驅(qū)動(dòng)電流相當(dāng)。與此前傳統(tǒng)普通金屬/超導(dǎo)金屬體系相比，耦合比提高了兩個(gè)量級以上。

基于二維狄拉克費(fèi)米子與二維約瑟夫森陣列庫侖相互作用的理論模型，研究團(tuán)隊(duì)將觀察到的巨幅超流拖拽效應(yīng)歸因于LaAlO3/SrTiO3界面超導(dǎo)相位量子漲落與石墨烯中電子濃度漲落之間的動(dòng)力學(xué)耦合，并提出一種新的約瑟夫森-庫倫拖拽機(jī)制。實(shí)驗(yàn)所觀測到的拖拽信號極性，以及其隨溫度的演化規(guī)律均很好地符合該機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，基于理論擬合外推，零溫極限下拖拽電流耦合比甚至高達(dá)105，即在被動(dòng)層誘導(dǎo)的拖拽電流是主動(dòng)層驅(qū)動(dòng)電流的105倍，產(chǎn)生超常電流放大效應(yīng)。這一結(jié)果成功揭示了宏觀量子漲落對于層間準(zhǔn)粒子相互作用的顯著調(diào)制。在應(yīng)用層面，基于該復(fù)合結(jié)構(gòu)將有望制備新型電流或電壓高效轉(zhuǎn)換器件，包括超導(dǎo)二極管等量子器件。本發(fā)現(xiàn)也將推動(dòng)具有豐富量子物相的更廣泛二維電子體系的拖拽效應(yīng)研究，并發(fā)現(xiàn)更多基于層間長程耦合的新穎量子多體效應(yīng)。

圖示：（a）石墨烯與LaAlO3/SrTiO3界面超導(dǎo)間約瑟夫森-庫侖拖拽效應(yīng)示意圖；（b）拖拽效應(yīng)測量原理；（c）拖拽電阻與LaAlO3/SrTiO3界面電阻隨溫度的變化；（d）LaAlO3/SrTiO3超導(dǎo)相圖；（e）拖拽電流耦合比對背柵和溫度的依賴關(guān)系。

我校物理系近期畢業(yè)的陶然博士和微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心李林副研究員為論文共同第一作者。曾長淦教授、李林副研究員與北京量子信息科學(xué)研究院解宏毅副研究員為論文共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院以及安徽省的資助。李林副研究員得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)仲英青年學(xué)者項(xiàng)目的資助。