Это открытие обрисовывает в общих чертах глобальную картину гигантского аномального эффекта Холла и выявляет его корреляцию с нетрадиционной волной плотности заряда в AV₃Sb₅ кагоме семейство металлов с потенциальным применением в будущей электронике со сверхнизким энергопотреблением.

Сверхпроводники, которые могут передавать электричество без рассеивания энергии, имеют большие перспективы для развития будущих технологий низкоэнергетической электроники и уже применяются в различных областях, таких как поезда на воздушной подушке и высокопрочные магниты (например, медицинские магнитно-резонансные томографы).

Однако то, как именно формируется сверхпроводимость и как она работает во многих материалах, остается нерешенным вопросом и ограничивает ее применение.

Недавно появился новый кагоме семейство сверхпроводников AV₃Sb₅ вызвали большой интерес своими новыми свойствами. Материалы "Кагоме" имеют необычную решетку, названную в честь японского узора плетения корзин с треугольниками, разделяющими углы.

То AV₃Sb₅ материалы (где A относится к цезию, рубидию или калию) обеспечивают идеальные платформы для физических исследований, таких как топология и сильные корреляции, но, несмотря на множество недавних исследований, происхождение гигантского аномального эффекта Холла и сверхпроводимости материала остается предметом дискуссий.

Возглавляемое ФЛОТОМ сотрудничество исследователей из Университета RMIT (Австралия) и партнерской организации the High Magnetic Field Laboratory (Китай) впервые подтверждает электрический контроль сверхпроводимости и AHE в ван-дер-ваальсовом кагоме металлический CsV₃Sb₅.

Манипулирование гигантским аномальным эффектом Холла с помощью обратимой интеркаляции протонов

Обладая топологическими электронными полосами и геометрическим расстройством ванадиевых решеток, слоистый кагоме металлы AV₃Sb₅ вызвали большой интерес к физике конденсированных сред из-за многих квантовых явлений, которые они поддерживают, включая:

• нетрадиционный, новый нематический порядок
• порядок плотности кирального заряда
• гигантский аномальный эффект Холла (AHE) и
• взаимодействие между двухзонной сверхпроводимостью и волной плотности заряда (CDW) в AV₃Sb₅.

Более того, происхождение гигантского АХЭ в АВ₃Sb₅ и его корреляция с киральным CDW остаются неуловимыми, несмотря на несколько недавно предложенных механизмов, включая внешнее косое рассеяние квазичастиц Дирака с расстроенной магнитной подрешеткой, орбитальные токи нового порядка кирального заряда и фазу кирального потока в фазе CDW.

"До сих пор мы получали много интригующих результатов с помощью технологии протонных вентилей в устройствах vdW spintronic. Поскольку этот метод может эффективно модулировать плотность носителей до 10²¹ см^-3, мы хотели бы применить его на AV₃Sb₅, который имеет аналогичный уровень плотности носителей". говорит первый автор нового исследования, научный сотрудник ФЛОТА доктор Гуолин Чжэн (RMIT).

"Способность настраивать плотность носителей и соответствующие поверхности Ферми сыграла бы жизненно важную роль в понимании и управлении этими новыми квантовыми состояниями и потенциально позволила бы реализовать некоторые экзотические квантовые фазовые переходы".

Команда решила проверить эту теорию на CsV₃Sb₅ который потенциально обладает наибольшим запасным атомным пространством для интеркаляции протонов. Устройства были легко спроектированы и изготовлены на основе богатого опыта команды в этой области.

Их последующие результаты с помощью CsV₃Sb₅ сильно зависело от толщины материала.

"Было очень трудно эффективно модулировать "более толстые" нанопорошки (более 100 нм)", - говорит соавтор исследования, научный сотрудник FLEET доктор Ченг Тан (RMIT).

"Но когда толщина уменьшилась примерно до 40 нм, инжекция протона стала довольно легкой", - говорит Ченг. "Мы даже обнаружили, что инъекция в значительной степени обратима. Действительно, мы редко встречали такой дружественный к протонам материал!"

Интересно, что с развитием интеркаляции протонов тип носителя (или "признак" эффекта Холла) мог быть модулирован либо на дырочный, либо на электронный тип, и достигаемая амплитуда AHE также была эффективно настроена.

Дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования показывают, что эта резкая модуляция гигантского AHE происходит из-за сдвига уровня Ферми в реконструированных зонных структурах.

"Результаты закрытого AHE также показали, что наиболее вероятным источником AHE является косое рассеяние, и это еще больше улучшает наше понимание кагоме металл", - объясняет Гуолин. "Но мы еще не наблюдали переход сверхпроводник-изолятор в 40-нм нанопорошках".

"Мы должны еще раз попробовать более тонкий CsV₃Sb₅ нанопорошки, чтобы исследовать это."

Переход из сверхпроводника в "неисправный изолятор", вызванный интеркаляцией протонов

Уникальное сосуществование электронных корреляций и топологии зон в AV₃Sb₅ позволяет исследовать интригующие переходы этих коррелированных состояний, такие как переход сверхпроводник-изолятор, квантовый фазовый переход, обычно настраиваемый беспорядками, магнитными полями и электрическим стробированием.

Уменьшив количество атомных слоев, команда предприняла дальнейшие шаги для изучения потенциальных квантовых фазовых переходов в CsV₃Sb₅.

"Сначала я непосредственно попробовал несколько ультратонких нанопорошков размером менее 10 нм", - говорит Ченг. "Я действительно наблюдал, что критические температуры фазы сверхпроводимости снижались с увеличением интеркаляции протонов, но я не мог окончательно подтвердить, что сверхпроводимость исчезла, поскольку она все еще может существовать при температурах в Милликельвинах, которых мы не можем достичь. Кроме того, устройства были очень хрупкими, когда я попытался еще больше увеличить интеркаляцию протонов".

Поэтому Ченг изменил стратегию и занялся нанопластинками толщиной 10 ~ 20 нм, а также попробовал различные материалы электродов для достижения лучшего электрического контакта.

Эта стратегия увенчалась успехом. Команда, к удивлению, заметила, что критическая температура фазы CDW снизилась, а зависящие от температуры кривые сопротивления демонстрируют четкий переход из сверхпроводника в изолятор при увеличении инжекции протонов.

"Интеркаляция протонов внесла беспорядок и подавила как CDW, так и сверхпроводящую фазовую когерентность", - говорит соавтор исследования, профессор Лан Ван (также из RMIT). "И это привело к переходу сверхпроводник-изолятор, связанному с локализованными куперовскими парами и характеризующемуся сопротивлением насыщенного слоя, достигающим 10⁶ ? при температуре, приближающейся к нулю, получившей название "неисправный изолятор"."

"Наша работа раскрывает отчетливый управляемый беспорядком бозонный переход сверхпроводник-изолятор, очерчивает глобальную картину гигантского AHE и выявляет его корреляцию с нетрадиционным CDW в AV₃Sb₅ семья."

"Этот значительный и электрически управляемый переход сверхпроводник-изолятор и аномальный эффект Холла в кагоме металлы должны вдохновлять на новые исследования соответствующей интригующей физики, с перспективой создания энергосберегающих наноэлектронных устройств".