近日，中科院合肥研究院強磁場中心低功耗量子材料研究團隊與國內外研究團隊合作，利用質子門電壓技術在籠目金屬CsV₃Sb₅中實現了超導-絕緣體相變以及反常霍爾效應的電調控。研究成果在線發表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。 

　　拓撲籠目金屬體系由于電子關聯效應以及非平庸的能帶結構使其展現出豐富的物性，包括非常規超導電性、電荷密度波以及巨大的反常霍爾效應(AHE)等。然而，目前人們對該體系中巨大反常霍爾效應產生的物理機理以及體系是否存在量子相變尚不清楚。利用門電壓技術實現這些電子關聯態以及反常霍爾效應的調控有助于揭示其物理起源、發現新奇的量子現象、構筑新型低功耗電子學器件。 

　　為此，強磁場中心陳正博士生長出了高質量的CsV₃Sb₅單晶并在混合磁體上觀測到清晰的量子震蕩，如下圖（A）所示。隨后，鄭國林研究員與澳大利亞皇家墨爾本理工大學談誠博士利用新發展的固態質子門電壓調控技術，系統地研究了不同厚度CsV₃Sb₅納米片在質子門電壓調控下的低溫輸運特性。研究發現質子插層誘導的無序能很快抑制掉超薄CsV₃Sb₅納米片(25 nm以內)中的超導電性，且電阻-溫度（R-T）曲線在低溫下展現出了半導體特性。而在更大門電壓（>20 V）下，CsV₃Sb₅納米片在低溫下的方塊電阻（sheet resistance）達到10⁶ Ω以上，遠大于庫伯對的量子電阻值(~6450Ω), 表明CsV₃Sb₅納米片在較強的無序下出現了超導-絕緣體相變 [下圖（B）]。而與傳統絕緣體不同的是，CsV₃Sb₅納米片絕緣態的電阻在溫度趨近于0 K時呈現出飽和的趨勢，這種非典型的“絕緣態”可能源于局域的庫伯對之間的有限隧穿。 

　　對于較厚的CsV₃Sb₅納米片(>40 nm)，研究人員發現較小的門電壓(<7V)不會改變超導轉變溫度，即無序效應被極大地抑制。然而，低溫霍爾電阻的斜率在門電壓下被連續改變，表明在較厚的納米片中施加較小的質子門電壓即可實現載流子濃度的大范圍調控。我們發現，體系中巨大的反常霍爾效應發生在布里淵區中M點附近的空穴帶中（對應的空穴濃度2x10²²cm^-3）,并且首次在電子帶中也觀測到大的反常霍爾效應，如下圖（C）所示。結合理論分析與計算，我們發現體系中巨大的反常霍爾效應主要起源于平帶中空穴的斜散射。 

　　強磁場中心鄭國林研究員為論文第一作者，談誠博士和陳正博士為共同第一作者，田明亮研究員、周建輝研究員、寧偉研究員以及合肥工業大學王瀾教授為論文共同通訊作者。該工作得到了科技部、基金委、中科院、合肥研究院等項目的支持。論文中單晶的高場磁阻測試在穩態強磁場實驗裝置（SHMFF）的混合磁體（45T）上完成。廈門大學王茂原副教授為該工作提供了計算支撐，強磁場中心朱相德研究員為單晶生長提供了幫助和指導。 

　　文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36208-6  

（A）CsV₃Sb₅單晶中高場量子震蕩。（B）超薄CsV₃Sb₅納米片中質子插層誘導的超導-絕緣體相變。（C）反常霍爾電導對載流子濃度的依賴關系。