近日，二维材料与量子功能器件研究团队与国内外研究团队合作，利用质子门电压技术在笼目金属CsV₃Sb₅中实现了超导—绝缘体相变以及反常霍尔效应的电压调控。相关研究成果以“Electrically controlled superconductor-to-failed insulator transition and giant anomalous Hall effect in kagome metal CsV₃Sb₅nanoflakes”为题发表在《自然-通讯》(Nature Communications 14, 678 (2023).)上。

拓扑笼目金属体系由于电子关联效应以及非平庸的能带结构使其展现出丰富的电子物态和量子效应，包括非常规超导电性、电荷密度波以及超大反常霍尔效应(AHE)等。然而，该体系超大反常霍尔效应的产生机理尚不清楚。针对这一难题，王澜研究团队利用门电压调控技术实现了电子物态以及反常霍尔效应的有效调控，为理解超大反常霍尔效应的物理起源、发现新奇量子物态、构筑低功耗电子器件提供了实验基础。

基于自主发展的固态质子门电压调控技术，如下图（a）所示，王澜研究团队系统研究了较薄和较厚两种厚度笼目金属体系CsV₃Sb₅纳米片在质子门电压调控下的输运特性。在较薄CsV₃Sb₅纳米片中，质子插层诱导的无序可有效抑制超薄CsV₃Sb₅纳米片(25 nm以内)的超导电性，而在大门电压（>20 V）下，较薄CsV₃Sb₅纳米片在低温下的方块电阻高达10⁶Ω量级，远远大于库伯对的量子电阻值(~6450 Ω)，这表明较薄CsV₃Sb₅纳米片在较强的无序下出现了超导—绝缘体相变，如下图（b）所示。在较厚的CsV₃Sb₅纳米片(~80 nm)中，发现较小的门电压(<7 V)不会改变超导转变温度，即无序效应对超导电性的影响不明显。然而，低温霍尔电阻的斜率大小在不同门电压下被连续调控，甚至随着电压的改变斜率的正负发生变化，表明在较厚的纳米片中施加较小的质子门电压即可实现载流子浓度的大范围调控，甚至实现掺杂属性的改变，如下图（c）所示。进一步，结合理论分析与计算，我们发现体系中巨大的反常霍尔效应主要起源于平带中空穴的斜散射。

强磁场中心郑国林研究员为论文第一作者，墨尔本理工大学理学院谈诚博士和强磁场中心陈正博士为共同第一作者，强磁场中心田明亮研究员、周建辉研究员、宁伟研究员以及合肥工业大学物理学院王澜教授为论文共同通讯作者。该工作得到了科技部、基金委、中科院等项目的支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36208-6

（a）基于固态质子门电压调控技术构建的二维笼目金属体系CsV₃Sb₅的场效应晶体管。（b）门电压调控的较薄CsV₃Sb₅纳米片的方块电阻随温度的变化关系。（c）超大反常霍尔效应在不同门电压和温度下的演化情况。

文/杨远俊 图/王澜 审核/高伟清