中国科大在二维半金属-二维超导体之间超流拖拽效应研究中取得重要进展

近日，中国科技大学合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心和物理系中科院强耦合量子材料物理重点实验室曾长淦教授、李林副研究员研究团队与北京量子信息科学研究院解宏毅副研究员等合作，在二维电双层结构层间长程耦合研究方面取得重要进展。通过构筑石墨烯与氧化物界面超导体系的复合结构，该团队揭示了二维半金属和二维超导体之间由于量子涨落诱导的巨幅超流拖拽效应。相关研究成果以“Josephson-Coulomb drag effect between graphene and a LaAlO3/SrTiO3 superconductor”为题于1月12日以Article形式在线发表在《Nature Physics》上（DOI: 10.1038/s41567-022-01902-7）。

对于两个空间相近但彼此绝缘的导电层构成的电双层结构，在其中一层（主动层）施加驱动电流，层间载流子之间的耦合会在另一层（被动层）中诱导产生一个开路电压或闭路电流，即产生层间拖拽效应。拖拽效应可以探测掩盖在界面处的载流子信息与可能的衍生物理，是表征新奇电子态的一种新型实验手段。更重要的是，基于二维电子气之间的拖拽效应，可以探索准粒子的层间长程相互作用，发现如激子超流体等新颖层间关联量子态。对于常规的层间电子-电子相互作用，由于较强的介电屏蔽效应，被动层中产生的拖拽电流比主动层施加的驱动电流通常要弱几个数量级，即拖拽电流耦合比远远小于1。而将其中一层或两层替换成超导材料，将有望产生耦合比显著增强的超流拖拽效应。

基于此设想，研究团队构筑了石墨烯与LaAlO3/SrTiO3异质界面组成的二维半金属**-**超导体电双层结构，并对其层间拖拽行为进行了系统研究。在此电双层体系中，石墨烯层的载流子浓度/类型，以及LaAlO3/SrTiO3界面超导特性都可以通过栅压进行有效调控。研究团队发现在LaAlO3/SrTiO3界面超导转变区间，石墨烯层中施加驱动电流可以在LaAlO3/SrTiO3界面诱导出巨幅拖拽电流，且强度可以通过栅压/外磁场等进行有效调控。特别是在界面超导最优掺杂附近，拖拽电流耦合比达到0.3，即所产生的拖拽电流大小与驱动电流相当。与此前传统普通金属/超导金属体系相比，耦合比提高了两个量级以上。

基于二维狄拉克费米子与二维约瑟夫森阵列库仑相互作用的理论模型，研究团队将观察到的巨幅超流拖拽效应归因于LaAlO3/SrTiO3界面超导相位量子涨落与石墨烯中电子浓度涨落之间的动力学耦合，并提出一种新的约瑟夫森-库伦拖拽机制。实验所观测到的拖拽信号极性，以及其随温度的演化规律均很好地符合该机制。在此基础上，基于理论拟合外推，零温极限下拖拽电流耦合比甚至高达105，即在被动层诱导的拖拽电流是主动层驱动电流的105倍，产生超常电流放大效应。这一结果成功揭示了宏观量子涨落对于层间准粒子相互作用的显著调制。在应用层面，基于该复合结构将有望制备新型电流或电压高效转换器件，包括超导二极管等量子器件。本发现也将推动具有丰富量子物相的更广泛二维电子体系的拖拽效应研究，并发现更多基于层间长程耦合的新颖量子多体效应。

图示：（a）石墨烯与LaAlO3/SrTiO3界面超导间约瑟夫森-库仑拖拽效应示意图；（b）拖拽效应测量原理；（c）拖拽电阻与LaAlO3/SrTiO3界面电阻随温度的变化；（d）LaAlO3/SrTiO3超导相图；（e）拖拽电流耦合比对背栅和温度的依赖关系。

我校物理系近期毕业的陶然博士和微尺度物质科学国家研究中心李林副研究员为论文共同第一作者。曾长淦教授、李林副研究员与北京量子信息科学研究院解宏毅副研究员为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院以及安徽省的资助。李林副研究员得到了中国科学技术大学仲英青年学者项目的资助。