浙大团队《科学》再发文！解密如何利用电场控制氧化物界面超导

铝酸镧（LaAlO3）和钽酸钾（KTaO3）是两种绝缘体，但当它们组合在一起时，界面就能导电甚至出现超导现象。这种刚刚“问世”的界面超导引发了科学家强烈的兴趣，来自浙江大学物理学系、中科院物理所等机构的学者发现，可以像调控半导体器件那样，用电压连续调控LaAlO3/KTaO3界面的导电性质：随着门电压的变化，它呈现了从超导到绝缘体的连续转变。同时，研究团队还在这一界面观测到了可被连续调控的量子金属态等许多新奇的物理现象。

5月14日，相关论文Electric field control of superconductivity at the LaAlO3/KTaO3(111) interface （电场控制LaAlO3/KTaO3(111)界面超导）在《科学》杂志上线。论文的共同第一作者为浙大物理系博士生陈峥、刘源和北京航空航天大学博士后张慧，共同通讯作者是浙大物理学系谢燕武研究员，中科院物理所孙继荣研究员和周毅研究员。这一发现为人们 探索 低温量子现象呈现了一个崭新的视野，也为超导器件的研发提供了新的思路。

“后浪”的潜力

LaAlO3/KTaO3界面超导今年2月才刚刚在《科学》杂志正式“亮相”。在氧化物界面超导家族中，它是第2位入列的成员。第1位成员亮相于2007年，瑞士日内瓦大学的Triscone教授等首先发现了LaAlO3/SrTiO3界面存在超导现象，这标志着一类新的超导体系的诞生：氧化物界面超导。

Triscone曾用一堆乐高积木来形容这一领域的奇妙：不同的氧化物可以产生千变万化的组合，每种组合都有可能蕴含着未知的、新奇的性质。随后的研究发现，LaAlO3/SrTiO3的超导电性可以通过电压来开启或关闭，就像我们熟知的半导体晶体管。这不禁让人畅想，或许有一天我们能制造出像半导体一样可以精确调控的超导器件。

而一年多前“新生”于美国阿贡实验室的“后浪”LaAlO3/KTaO3的表现似乎更加抢眼。今年2月发表在《科学》杂志的论文指出，“LaAlO3/KTaO3的超导转变温度可达2.2 K，比“前浪”的0.3 K高出整整一个数量级。那么，它会有哪些新奇的性质？它的超导性能也能被调控吗？它对超导机制研究会有哪些价值？神秘的“后浪”吸引着谢燕武与他的合作伙伴们去一探究竟。

新的调控，新的机制

调控，是实验科学研究最重要的手段和内容。在这项研究中，研究团队发现了一种全新的调控机制，实现了LaAlO3/KTaO3导电性能的连续可调，器件随电压变化呈现了从超导到绝缘体的连续转变。

博士生陈峥和刘源在实验室制备样品

谢燕武介绍，导电电子在低温下两两配对，就会形成超导，目前已知的超导体系已经非常多，但能被电场调控的凤毛麟角。“”我们的调控方法本质就是调控电子‘队形’的空间分布，让它们在更靠近或更远离界面的地方运动。”大量的电子在氧化物界面附近运动时，会受到晶格缺陷（也称为“无序”）的影响。“就像开车时遇到障碍物。”谢燕武说，这种“无序”越贴近界面分布越密集，越远离界面则越稀疏。基于这一认识，研究团队提出了改变电子空间分布的思路，“如果有更多的电子靠近界面，那么整体来看它们遇到的‘障碍物’就变多了，这会显著影响电子以及配对后的超导库珀对的运动行为。”

每平方厘米界面通道里有80万亿个电子在运动，门电压通过改变它们的“队形”来影响界面导电性能。“山丘”形状示意了无序分布。

在这项实验中，研究人员测试了门电压从-200V到150V区间时界面的导电性能。“不论在超导转变温度之上还是之下，导电性都可被连续调控。”陈峥说，“我们还直接测量了在这一门电压区间电子‘队形’空间分布的变化，当导电通道在6纳米时，LaAlO3/KTaO3看起来是很好的超导，而当通道调整到2纳米时，它就成了绝缘体。”

在-200V到150V区间施加不同门电压时LaAlO3/KTaO3界面的面电阻（Rsheet）随温度（T）的变化。

“从表面看，我们与传统的方法用的都是门电压调控，但背后的调控机制是全新的。”孙继荣说，传统的方法，无论是半导体晶体管还是LaAlO3/SrTiO3，都是通过改变电子浓度从而实现对导电性能的调控，这里需要有个前提：电子浓度低。“相比之下，LaAlO3/KTaO3界面的电子浓度很高，不能满足传统的调控机制，因此需要 探索 全新的调控机制。”孙继荣说，新的调控仍然以类似于晶体管的方式工作，但本质上打破了对于电子浓度的限制。

量子金属态

博士生陈峥与刘源全程参与了样品的制备和测试。陈峥说，研究过程中最难忘的是第一次测出LaAlO3/KTaO3超导性的那一天，“表明我们已经掌握了制备这一新界面超导体系的方法，可以开始我们的调控研究了！”随着实验的推进，越来越多的数据涌现出来。当他们把它们放到一起时，惊奇地发现在低温下是一条又一条水平线条，也就是说，无论温度在0~1K的区间内如何变化，LaAlO3/KTaO3界面的电阻几乎始终是恒定的。“量子金属是同时具有部分超导和金属特性的新奇量子物态，这是一种典型的量子金属态。”周毅说，“已知的量子金属态都只处于某个量子临界点上。而这个系统可以连续调控，量子金属作为相图上一个物相的形式存在，这个新发现令我们异常激动。”

器件实物照片。中间核心桥路部分宽20微米，长100微米。

《科学》杂志的审稿人对这项研究给与了非常积极的回应，他们认为，这种完全可调的超导性是一项引人入胜的突破，该项研究充分深入，几乎覆盖了过去10多年人们在LaAlO3/SrTiO3体系中获得的认识。

谢燕武说，对于新材料的研究主要来自于两方面动力：一方面想通过新材料的研究来发现新的物理现象，获得更多的科学见解；另一方面也试图为开发新器件提供有益的线索。“我们在LaAlO3/KTaO3体系中的研究可为理解超导机制，尤其是理解高温超导中的机制提供全新的素材，同时也为将来开发超导器件提供了新的视野。”

这项研究的团队成员还包括浙大物理系博士生孙艳秋、张蒙，以及浙大材料学院田鹤教授和刘中然博士。

研究得到了浙江大学量子交叉中心同仁在技术和设备等方面的全方位支持，同时还得到了浙江大学“双一流”建设专项经费、国家重点研发计划、国家自然科学基金、和浙江省重点研发计划等支持。

浙大物理系谢燕武课题组

论文DOI: 10.1126/science.abb3848

（原题为《浙大团队Science再发文！解密如何利用电场控制氧化物界面超导》。编辑张钟文）

这个问题解答起来有点麻烦，因为有不同的分类方法。

如果按功能分，晶体有20 种之多,如半导体晶体、磁光晶体、激光晶体、电光晶体、声光晶体、非线性光学晶体、压电晶体、热释电晶体、铁电晶体、闪烁晶体、绝缘晶体、敏感晶体、光色晶体、超导晶体以及多功能晶体等。

以上来自下文（读读挺有意思的，真心的希望能够帮助你！）：

晶体学和晶体材料研究的进展2006-09-13 12:51 随着计算机技术和激光技术的发展, 人类已经走进了崭新的光电子时代而实现这一巨大变化的物质基础不是别的, 正是硅单晶和激光晶体。可以断言, 晶体材料的进一步发展, 必将谱写出人类科技文明的新篇章。

一、人类对晶体的认识过程及有关晶体的概念

1. 人类对晶体的认识过程

什么是晶体? 从古至今, 人类一直在孜孜不倦地探索着这个问题。早在石器时代, 人们便发现了各种外形规则的石头, 并把它们做成工具, 从而揭开了探求晶体本质的序幕。之后,经过长期观察,人们发现晶体最显著的特点就是具有规则的外形。1669 年, 意大利科学家斯丹诺(Nicolaus Steno) 发现了晶面角守恒定律, 指出在同一物质的晶体中,相应晶面之间的夹角是恒定不变的。接着,法国科学家阿羽依(Rene Just Haüy) 于1784 年提出了著名的晶胞学说, 使人类对晶体的认识迈出了一大步。根据这一学说,晶胞是构成晶体的最小单位,晶体是由大量晶胞堆积而成的。1885 年, 这一学说被该国科学家布喇菲(A.Bravais) 发展成空间点阵学说, 认为组成晶体的原子、分子或离子是按一定的规则排列的, 这种排列形成一定形式的空间点阵结构。1912 年, 德国科学家劳厄(Max van Laue) 对晶体进行了X射线衍射实验, 首次证实了这一学说的正确性, 并因此获得了诺贝尔物理奖。

2. 晶体的概念

具有空间点阵结构的物体就是晶体, 空间点阵结构共有14 种。例如, 食盐的主要成份氯化钠(NaCl) 具有面心立方结构, 是一种常见的晶体。此外, 许多金属(如钨、钼、钠、常温下的铁等) 都具有体心立方结构, 因而都属于晶体。值得注意的是, 在晶体中, 晶莹透明的有很多, 但是, 并不是所有透明的固体都是晶体, 如玻璃就不是晶体。这是因为, 组成玻璃的质点只是在一个原子附近的范围内作有规则的排列, 而在整个玻璃中并没有形成空间点阵结构。

3. 天然晶体与人工晶体

晶体分成天然晶体和人工晶体。千百年来, 自然界中形成了许多美丽的晶体, 如红宝石、蓝宝石、祖母绿等,这些晶体叫做天然晶体。然而,由于天然晶体出产稀少、价格昂贵,从19世纪末, 人们开始探索各种方法来生长晶体, 这种由人工方法生长出来的晶体叫人工晶体。到目前为止, 人们已发明了几十种晶体生长方法, 如提拉法、浮区法、焰熔法、坩埚下降法、助熔剂法、水热法、降温法、再结晶法等。利用这些方法,人们不仅能生长出自然界中已有的晶体, 还能制造出自然界中没有的晶体。从红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫到各种混合颜色, 这些人工晶体五彩纷呈, 有的甚至比天然晶体还美丽。

4. 晶体的共性

由于具有周期性的空间点阵结构, 晶体具有下列共同性质: 均一性, 即晶体不同部位的宏观性质相同各向异性, 即晶体在不同方向上具有不同的物理性质自限性, 即晶体能自发地形成规则的几何外形对称性, 即晶体在某些特定方向上的物理化学性质完全相同具有固定熔点内能最小。

5. 晶体学

除了对晶体的结构、生长和一般性质的研究, 人们还探索了有关晶体的其它问题, 从而形成了晶体学这门学科。其主要研究内容包括5 个部分: 晶体生长、晶体的几何结构、晶体结构分析、晶体化学及晶体物理。其中, 晶体生长是研究人工培育晶体的方法和规律, 是晶体学研究的重要基础晶体的几何结构是研究晶体外形的几何理论及内部质点的排列规律, 属于晶体学研究的经典理论部分, 但是, 近年来5 次等旋转对称性的发现, 对这一经典理论提出了挑战晶体结构分析是收集大量与晶体结构有关的衍射数据、探明具体晶体结构及X射线结构分析方法的晶体化学主要研究化学成分与晶体结构及性质之间的关系晶体物理则是研究晶体的物理性质, 如光学性质、电学性质、磁学性质、力学性质、声学性质和热学性质等。

二、晶体的性能、应用及进展

一位物理学家说过: “晶体是晶体生长工作者送给物理学家的最好的礼物。”这是因为,当物质以晶体状态存在时, 它将表现出其它物质状态所没有的优异的物理性能, 因而是人类研究固态物质的结构和性能的重要基础。此外, 由于能够实现电、磁、光、声和力的相互作用和转换, 晶体还是电子器件、半导体器件、固体激光器件及各种光学仪器等工业的重要材料, 被广泛地应用于通信、摄影、宇航、医学、地质学、气象学、建筑学、军事技术等领域。

按功能来分,晶体有20 种之多,如半导体晶体、磁光晶体、激光晶体、电光晶体、声光晶体、非线性

光学晶体、压电晶体、热释电晶体、铁电晶体、闪烁晶体、绝缘晶体、敏感晶体、光色晶体、超导晶体以及多功能晶体等。以下简单介绍其中重要的几种。

1. 半导体晶体

半导体晶体是半导体工业的主要基础材料, 从应用的广泛性和重要性来看, 它在晶体中占有头等重要的地位。半导体晶体是从20 世纪50 年代开始发展起来的。第一代半导体晶体是锗( Ge) 单晶和硅单晶

(Si) 。由它们制成的各种二极管、三极管、场效应管、可控硅及大功率管等器件, 在无线电子工业上有着 极其广泛的用途。它们的发展使得集成电路从只包括十几个单元电路飞速发展到含有成千上万个元件的超大规模集成电路, 从而极大地促进了电子产品的微小型化, 大大提高了工作的可靠性, 同时又降低了成本, 进而促进了集成电路在空间研究、核武器、导d、雷达、电子计算机、军事通信装备及民用等方面的广泛应用。

目前, 除了向大直径、高纯度、高均匀度及无缺陷方向发展的硅单晶之外, 人们又研究了第二代半导体晶体——Ⅲ—Ⅴ族化合物, 如(CaAs) 、磷化镓( GaP) 等单晶。近来, 为了满足对更高性能的需求,已发展到三元或多元化合物等半导体晶体。在半导体晶体材料中, 特别值得一提的是氮化镓( GaN) 晶体。由于它具有很宽的禁带宽度(室温下为3. 4eV) , 因而是蓝绿光发光二级管(LED) 、激光二极管(LD) 及高功率集成电路的理想材料,近年来在全世界范围内掀起了研究热潮, 成为炙手可热的研究焦点。目前, 中国科学院物理研究所在该晶体的生长方面独辟蹊径, 首次利用熔盐法生长出3mm×4mm的片状晶体 。一旦该晶体的质量得到进一步的提高, 它将在发光器件、光通讯系统、CD 机、全色打印、高分辨率激光打印、大屏幕全色显示系统、超薄电视等方面得到广泛的应用。

2. 激光晶体

激光晶体是激光的工作物质, 经泵浦之后能发出激光, 所以叫做激光晶体。1960 年, 美国科学家Maiman 以红宝石晶体作为工作物质, 成功地研制出世界上第一台激光器, 取得了举世瞩目的重大科学

成就。目前,人们已研制出数百种激光晶体。其中,最常用的有红宝石(Cr :Al 2O3) 、钛宝石( Ti :Al2O3) 、掺钕钆铝石榴石(Nd : Y3Al 5O12) 、掺镝氟化钙(Dy : CaF2) 、掺钕钒酸钇(Nd : YVO4) 、四硼酸铝钕(NdAl 3(BO3) 4) 等晶体。

近年来, 由于新的激光晶体的不断出现以及非线性倍频、差频、参量振荡等技术的发展, 利用激光

晶体得到的激光已涉及紫外、可见光到红外谱区,并被成功地应用于军事技术、宇宙探索、医学、化学

等众多领域。例如,在各种材料的加工上,晶体产生的激光大显身手, 特别是对于超硬材料的加工, 它具有无可比拟的优越性。比如, 同样是在金刚石上打一个孔, 用传统方法需要两小时以上的时间, 而用晶体产生的激光,连0. 1 秒的时间都不用。此外,用激光进行焊接, 可以高密度地把很多电子元件组装在一起, 并能够大大提高电路的工作可靠性, 从而大幅度地减小电子设备的体积。激光晶体还可以制成激光测距仪和激光高度计, 进行高精度的测量。令人兴奋的是, 法国天文台利用具有红宝石晶体的装置, 首次实现了对同一颗人造卫星的跟踪观察实验,精确地测定了这颗卫星到地面的距离。在医学上,激光晶体更是得到了巧妙的应用。它发出的激光通过可以自由弯曲的光导管进行传送, 在出口端装有透镜和外科医生用的手柄。经过透镜, 激光被聚焦成直径仅有几埃的微小斑点, 变成一把无形却又十分灵巧的手术刀, 不但能够彻底

杀菌, 而且可以快速地切断组织, 甚至可以切断一个细胞。对于极其精细的眼科手术, 掺铒的激光晶体是最合适不过的了。这种晶体可以产生近3μm波长的激光, 由于水对该激光的强烈吸收, 导致它进入生物组织后, 只有几微米短的穿透深度, 因此, 这种激光是十分安全的, 不会使患者产生任何痛苦。由于用这种激光可以快速而精确地进行切割, 手术时间极短, 因而避免了眼球的不自觉运动对手术的干扰,保证了手术的顺利进行。此外, 激光电视、激光彩色立体电影、激光摄影、激光计算机等都将是激动人心的激光晶体的新用途。

3. 非线性光学晶体

光通过晶体进行传播时, 会引起晶体的电极化。当光强不太大时, 晶体的电极化强度与光频电场之间呈线性关系, 其非线性关系可以被忽略但是, 当光强很大时, 如激光通过晶体进行传播时, 电极化强度与光频电场之间的非线性关系变得十分显著而不能忽略, 这种与光强有关的光学效应称为非线性光学效应, 具有这种效应的晶体就称为非线性光学晶体。

非线性光学晶体与激光紧密相连, 是实现激光的频率转换、调制、偏转和Q开关等技术的关键材料。当前,直接利用激光晶体获得的激光波段有限, 从紫外到红外谱区, 尚有激光空白波段。而利用非线性光学晶体, 可将激光晶体直接输出的激光转换成新波段的激光, 从而开辟新的激光光源, 拓展激光晶体的应用范围。常用的非线性光学晶体有碘酸锂(α - Li IO3) 、铌酸钡钠(Ba2NaNb5O15) 、磷酸二氘钾（KD2PO4) 、偏硼酸钡(β- BaB2O4) 、三硼酸锂(LiB3O5)等。其中,偏硼酸钡和三硼酸锂晶体是我国于20 世纪80 年代首先研制成功的, 具有非线性光学系数大、激光损伤阈值高的突出优点, 是优秀的激光频

率转换晶体材料,在国际上引起了很大的反响。另一种著名的晶体是磷酸钛氧钾晶体( KTiOPO4) ,它是迄今为止综合性能最优异的非线性光学晶体, 被公认为1. 064μm和1. 32μm激光倍频的首选材料, 它可以把1. 064μm的红外激光转换成0. 53μm的绿色激光。由于绿光不仅能够用于医疗、激光测距, 还能够进行水下摄影和水中通信等, 因此,磷酸钛氧钾晶体得到了广泛的应用。

4. 压电晶体

当晶体受到外力作用时, 晶体会发生极化, 并形成表面电荷, 这种现象称为正压电效应反之, 当晶体受到外加电场作用时, 晶体会产生形变, 这种现象称为逆压电效应。具有压电效应的晶体则称为压电晶体,它只存在于没有对称中心的晶类中。最早发现的压电晶体是水晶(α- SiO2) 。它具有频率稳定的特性, 是一种理想的压电材料, 可用来制造谐振器、滤波器、换能器、光偏转器、声表面波器件及各种热敏、气敏、光敏和化学敏器件等。它还被广泛地应用于人们的日常生活中, 如石英表、电子钟、彩色电视机、立体声收音机及录音机等。

近年来, 人们又研制出许多新的压电晶体, 如钙钛矿型结构的铌酸锂(LiNbO3) 、钽酸钾( KTaO3)

等,钨青铜型结构的铌酸钡钠(Ba2NaNb5O15) 、铌酸钾锂( K1 - xLiNbO3) 等以及层状结构的锗酸铋(Bi 12GeO20) 等。利用这些晶体的压电效应,可制成各种器件, 广泛地用于军事上和民用工业, 如血压计、呼吸心音测定器、压电键盘、延迟线、振荡器、放大器、压电泵、超声换能器、压电变压器等。

5. 闪烁晶体

这种晶体在X射线激发下会产生荧光, 形成闪烁现象。最早得到应用的闪烁晶体是掺铊碘化钠（Tl :NaI) 晶体。该晶体的发光波长在可见光区,闪烁效率高, 又易于生长大尺寸单晶, 在核科学和核工

业上得到广泛的应用。20 世纪80 年代初, 中科院上海硅酸盐研究所采用坩埚下降法成功地生长了大尺寸锗酸铋(Bi 4Ge 3O12) 单晶。由于这种晶体阻挡高能射线能力强、分辨率高, 因而特别适合于高能粒子和高能射线的探测, 在基本粒子、空间物理和高能物理等研究领域有广泛的应用, 并已十分成功地用于欧洲核子研究中心L3 正负电子对撞机的电磁量能器上。此后, BaF2 晶体成为又一新型闪烁材料。除了在高能物理中应用之外, 该晶体在低能物理方面已用于正电子湮没谱仪, 使谱仪的分辨率和计数效率

均得到很大的提高。此外, 它还可用于检查隐藏的爆炸物、石油探测、放射性矿物探测、正电子发射层

析照相(简称PET) 等方面,具有良好的应用前景。

6. 声光晶体

当光波和声波同时射到晶体上时, 声波和光波之间将会产生相互作用, 从而可用于控制光束, 如使光束发生偏转、使光强和频率发生变化等, 这种晶体称为声光晶体, 如钼酸铅( PbMoO4) 、二氧化碲（TeO2) 、硫代砷酸砣( Tl 3AsS4) 等。利用这些晶体,人们可制成各种声光器件, 如声光偏转器、声光调Q 开关、声表面波器件等, 从而把这些晶体广泛地用于激光雷达、电视及大屏幕显示器的扫描、光子计

算机的光存储器及激光通信等方面。

7. 光折变晶体

光折变晶体是众多晶体中最奇妙的一种晶体。当外界微弱的激光照到这种晶体上时, 晶体中的载流子被激发, 在晶体中迁移并重新被捕获, 使得晶体内部产生空间电荷场, 然后, 通过电光效应,空间电荷场改变晶体中折射率的空间分布, 形成折射率光栅,从而产生光析变效应。光折变效应的特点是, 在弱光作用下就可表现出明显的效应。例如,在自泵浦相位共轭实验中,一束毫瓦级的激光与光折变晶体作用就可以产生相 位共轭波, 使畸变得无法辨认的图像清晰如初。由于折射率光栅在空间上是非局域的, 它在波矢方向相对于干涉条纹有一定的空间相移, 因而能使光束之间实现能量转换。如两波耦合实验中, 当一束弱信号光和一束强光在光折变晶体中相互作用时, 弱信号光可以增强1 000 倍。此外, 凭借着光折变效应, 光折变晶体还具有以下特殊的性能: 可以在3cm3 的体积中存储5 000幅不同的图像, 并可以迅速显示其中任意一幅可以精密地探测出小得只有10 - 7米的距离改变可以滤去静止不变的图像, 专门跟踪刚发生的图像改变甚至还可以模拟人脑的联想思维能力。因此,这种晶体一经发现,便引起了人们的极大兴趣。

目前, 有应用价值的光折变晶体有钛酸钡(BaTiO3) 、铌酸钾( KNbO3) 、铌酸锂(LiNbO3) 、铌酸锶

钡(Sr1 - xBaxNb2O6) 系列、硅酸铋(Bi 12SiO20) 等晶体。其中,掺铈钛酸钡(Ce :BaTiO3) 是由中国科学院物理研究所于90 年代在国际上首次研制成功的。它的优异性能, 使光折变晶体在理论研究和实用化方面取得突破性进展。当前, 光折变晶体已发展成一种新颖的功能晶体, 在光的图像和信息处理、相位共轭、全息存储、光通讯和光计算机神经网络等方面展示着良好的应用前景。

三、晶体研究的发展趋势

随着人们对晶体认识的不断深入, 晶体研究的方向也逐步地发生着变化, 其总的发展趋势是: 从晶态转向非晶态从体单晶转向薄膜晶体从通常的晶格转向超晶格从单一功能转向多功能从体性质转向表面性质从无机扩展到有机,等等。此外, 鉴于充分认识到晶体结构—性能关系的重要性, 人们已经开始利用分子设计来探索各种新型晶体。而且, 随着光子晶体和纳米晶体的出现和发展, 人类对晶体的认识更是有了新的飞跃。可以相信, 在不久的将来, 晶体的品种将会更多、性能将会更优异、应用范围也将会越来越广。

总之,晶体不仅是美丽的,而且也是有用的。它蕴涵着丰富的内容, 是人类宝贵的财富。但迄今为

止, 人们对它的认识犹如冰山之一角, 还有许多未知领域等待着我们去探索。

(王皖燕 中国科学院物理研究所,博士北京100080)

参考资料：（王皖燕 中国科学院物理研究所,博士北京100080)

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