非晶LaAlO3/KTaO3(111)界面上的强耦合界面铁电性与界面超导性

无需持续通电即可工作的电开关

想象一种电开关，它不需要持续供电就能记住开或关的状态，并且还能控制超导体——那些以零电阻传导电流的材料。本文报道了在两种绝缘氧化物之间隐秘界面上出现的这样一种可能性，在该界面处存在一种不同寻常的电性序与超导性并存并相互强烈影响。理解并利用这种行为可能带来超高效、非易失的电子元件以及新型量子器件。

两种静默材料之间的特殊边界

研究人员研究了一层薄而像玻璃的铈铝酸镧（LaAlO3）覆盖在一块沿特定晶面切割的钽酸钾（KTaO3）晶体上。就各自而言，这两种材料都是电绝缘体，但在它们相接的刀片般薄的界面处发生了非凡现象：形成了一层仅厚几个纳米甚至更薄的可移动电子薄层，这层电子在非常低温时可以变为超导。团队进一步提出更深的问题——这层导电薄片能否同时承载内建的电极化，也就是正负电荷发生微小位移并能像微小开关那样被翻转？

隐蔽的原子位移与缺失的原子

借助能够分辨单个原子的先进电子显微镜，作者发现界面附近的钾原子明显偏离了在晶格中的常规位置。同时，在同一区域有部分氧原子缺失，形成氧空位，这些空位有助于稳定这种位移。共同作用下，这些位移在界面平面方向上产生了净电极化。该效应在仅几层原子厚的范围内最为强烈，向晶体深处迅速衰减，表明电序被严格限制在两种材料接触的边界处。

光学与纳米探针揭示可翻转的电态

为检验这种极化是否确为铁电性——即能被施加电压翻转并保持稳定——团队结合了光学与机械探测技术。通过用红外激光照射样品并探测到正好为入射频率两倍的光，他们观察到从低温到室温都持续存在的强信号，表明与电极化相关的对称性被破缺。另一项独立手段是使用尖锐的导电探针施加小电压，同时检测表面的微弱振动。这种方法揭示了典型的滞后回线，并允许研究者写入和擦除方形域，其中极化方向被翻转。被写入的图案能保持数小时，远超简单充电效应的持续时间，证实了界面处稳健且可切换的铁电序。

一种序驯服另一种：控制超导性

最引人注目的发现出现在团队直接在用于测量电阻的器件内写入铁电图案时。当他们扫动探针电压以驱动极化完成一次完整开关循环时，界面的电阻发生了戏剧性的变化——在相反极化状态之间变化超过十万倍。在低温下，这一变化更为显著：在一种极化取向下界面呈现超导，而在相反取向下超导性基本消失，且当极化被切回时超导性会重新出现。这些变化是非易失的：一旦写入，新状态在写入电压移除并单独冷却样品后仍然保持。

边界如何重塑电子流动

作者通过考虑电极化、原子无序和氧空位如何协同作用以塑造界面处的能量景观来解释这种耦合。当极化指向一侧时，它有效地加深了束缚电子薄层的势阱，提高了其电子密度，使电子能够足够自由地移动从而形成超导态。翻转极化则部分清空或重塑该势阱，加强电子散射并重新分布空位，这些共同作用降低了导电性并抑制了超导性。因为这种重构不需要持续的外加电场，界面因而表现出一种内建的、可重写的量子行为控制旋钮。

这对未来技术的意义

通过证明在工程化的氧化物边界上铁电性和超导性可以共存并强烈相互作用，这项工作为以非易失电开关控制超导性质的器件开辟了道路。此类结构可以作为超低功耗存储、可重构量子电路的构建模块，或作为探索在破缺反演对称性下出现的奇异超导态的新平台。简言之，两块绝缘晶体之间的静默界面成为一个强有力的舞台，在那里电序与完美导电被可控地编织在一起。

引用: Dong, M.D., Cheng, X.B., Zhang, M. et al. Strongly coupled interface ferroelectricity and interface superconductivity in amorphous LaAlO₃/KTaO₃(111). Nat Commun 17, 2805 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69641-4

关键词: 铁电性, 超导性, 氧化物界面, 二维电子气, 量子材料