science >> Wetenschap >  >> Fysica

Niet-reciproke transport in de gate-geïnduceerde strontiumtitanaat polaire supergeleider

Apparaatbeeld en gate-geïnduceerde supergeleiding in SrTiO3. (A) Schematische afbeelding van SrTiO3-EDLT. (B) Longitudinale eerste harmonische weerstand Rωxx als functie van temperatuur T onder nul magnetisch veld. De toegepaste stroom was 0,05 μA, die kan worden beschouwd als een lage stroomlimiet. Overgangstemperatuur gedefinieerd door het middelpunt van de resistieve overgang wordt geschat als Tc0 =0,31 K (zwarte pijl). Zwarte stippellijn toont de passende curve volgens de Halperin-Nelson-formule, waarbij RN =128 ohm de weerstand in normale toestand is (T =1,0 K), b =1,17 is een dimensieloze constante, en TBKT =0,18 K is de BKT-overgangstemperatuur (witte driehoek). De aangelegde poortspanning VG is 5,0 V bij T =260 K. Credit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aay9120

In de materiaalkunde, tweedimensionale elektronensystemen (2DES) gerealiseerd aan het oxide-oppervlak of -interface zijn een veelbelovende kandidaat om nieuwe fysieke eigenschappen en functionaliteiten te bereiken in een snel opkomend kwantumveld. Hoewel 2-DES een belangrijk platform biedt voor exotische kwantumgebeurtenissen, waaronder het kwantum Hall-effect en supergeleiding, het effect van symmetriebreking; overgang van een wanordelijke toestand naar een meer bepaalde toestand, op dergelijke kwantumfasen blijven ongrijpbaar. Niet-wederkerig elektrisch transport of stroomrichtingafhankelijke weerstand is een sonde voor gebroken inversiesymmetrie (aanwezigheid van een dipool), zoals waargenomen op verschillende niet-centrosymmetrische kristallen en grensvlakken. In een nieuw rapport Yuki M. Itahashi en een team van wetenschappers in de toegepaste natuurkunde, nanosystemen en materiaalwetenschap in Japan en de VS rapporteerden niet-wederkerig transport aan het oppervlak van een 2D-supergeleider gemaakt van het supergeleidende materiaal strontiumtitanaat (SrTiO 3 ). Het team observeerde een gigantische verbetering van het niet-reciproke gebied in het supergeleidende fluctuatiegebied - zes orden van grootte groter in vergelijking met de normale toestand. De resultaten zijn nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang en demonstreren ongekende kenmerken van de 2-D polaire supergeleider.

Polaire geleiders of supergeleiders zijn potentiële materiaalplatforms voor kwantumtransport en spintronische functionaliteiten, met inherent niet-wederkerig transport dat de ongrijpbare eigenschap van tijdomkering van symmetriebreking weerspiegelt (d.w.z. het breken van het behoud van entropie). Recente experimenten hebben zich uitgebreid naar de supergeleidende toestand om een ​​grote niet-wederkerige respons waar te nemen en natuurkundigen willen graag de niet-wederkerigheid rond supergeleidende overgang in een eenvoudig elektronensysteem onderzoeken. Voor deze, Itahashi et al. gemanipuleerde chroom/goud (Cr/Au) elektroden op het atomair vlakke oppervlak van SrTiO 3 en ionische vloeistof op de bovenkant geplaatst om een ​​elektrische dubbellaagse transistor (EDLT) te vormen om een ​​Rashba-supergeleider te realiseren; gebaseerd op het Rashba-effect, met een ion-gating techniek op de SrTiO 3 materiaal oppervlak. De wetenschappers hebben vervolgens het eerste en tweede harmonische elektronische transport gemeten met behulp van een standaard lock-in-techniek om niet-reciproke ladingstransport te meten en tijdomkering van symmetrie-breking in het systeem te kwantificeren. Niet-wederkerig transport is ook een effectief hulpmiddel om Cooper-paren te identificeren, waar een paar elektronen hun gebruikelijke afstoting overwinnen om een ​​kwantumtoestand te delen voor niet-wederkerige parageleiding in supergeleiders, die Itahashi et al. ook bedoeld om te kwantificeren in de Rashba-supergeleider.

Magnetotransport van gate-geïnduceerde 2D SrTiO3 voor zowel de normale als supergeleidende toestanden en verbetering van het niet-reciproke transport in het supergeleidende fluctuatiegebied. (A) Eerste en (B) tweede harmonische magnetoweerstand (Rωxx en R2ωxx, respectievelijk) boven Tc0 (normale toestand, T =0,47 K en I =20 μA) als functie van in-plan magnetisch veld B loodrecht (rood) of parallel (blauw) op I. Inzetstukken in (A) en (B) tonen de vergrote weergave van Rωxx(B) en schema's van de meetconfiguratie (richtingen van B en I), respectievelijk. (C) Rωxx en (D) R2ωxx onder Tc0 (supergeleidend fluctuatiegebied, T =0,22 K en I =1 μA) als functie van in-plane B loodrecht (rood) of parallel (blauw) op I. In (A) tot (D), Rωxx wordt genormaliseerd door de weerstand in normale toestand RN =128 ohm, en Rωxx/R2ωxx is gesymmetriseerd/anti-gesymmetriseerd als functie van B. (E) Temperatuurafhankelijkheid van γ=2R2ωxxRωxxBI in de normale toestand (I =20 μA) en supergeleidend fluctuatiegebied (I =0,9 A). Paarse (normale toestand) en oranje (supergeleidende fluctuatiegebied) cirkels werden geëxtraheerd uit de meting van magnetische veldscan van R2ωxx bij lage B onder 0,1 T, terwijl paarse (normale toestand) en oranje (supergeleidende fluctuatiegebied) stippen werden uitgezet uit de temperatuurscan van R2ωxx onder B =3 en 0,05 T, respectievelijk. Krediet:wetenschappelijke vooruitgang, doi:10.1126/sciadv.aay9120

De wetenschappers hebben aanvankelijk de eerste harmonische weerstand (FHR) beschreven die overeenkomt met lineaire weerstand in de buurt van supergeleidende overgang voor een poortspanning van 5,0 V. De resultaten toonden een temperatuurafhankelijkheid bij de lage stroomlimiet (I =0,05 A). Daarna concentreerden ze zich op de tweede harmonische weerstand (SHR) en toegeschreven niet-reciproke ladingstransport waargenomen aan het oppervlak van SrTiO 3 naar de polaire symmetrie binnen het supergeleidende fluctuatiegebied en in de normale toestand. Het team observeerde magnetotransport in gate-geïnduceerde 2-D SrTiO 3 binnen een magnetisch veld (B) loodrecht op de stroom (I) voor normale en supergeleidende toestanden - met verbeterd niet-wederkerig transport in het supergeleidende fluctuatiegebied. Om de omvang van niet-wederkerigheid tussen de normale toestand en het gebied van supergeleidingsfluctuatie te vergelijken, ze berekenden de coëfficiënt van niet-reciproke magnetoweerstand (γ), die afhing van de temperatuur binnen de regio's.

Het team heeft vervolgens de afhankelijkheid van de tweede harmonische signalen van stroom (I) gemeten, in de normale toestand en in het supergeleidende fluctuatiegebied. In de normale toestand, de SHR vertoonde een bijna lineaire afhankelijkheid van de stroom. In het fluctuatiegebied van de supergeleiding bij een magnetisch veld van 0,1 Tesla, de SHR nam lineair toe, bereikte een maximum van ongeveer 1 A en onderdrukt - om onderdrukking van supergeleiding door de hoge stroom aan te geven.

Stroomafhankelijkheid van de tweede harmonische magnetoweerstand in het normale en het supergeleidende fluctuatiegebied. (A) Tweede harmonische magnetoweerstand R2ωxx bij T =0,85 K onder I =3 μA (rood), 5 μA (oranje), 10 A (groen), 15 A (blauw), en 20 A (paars). R2ωxx is antisymmetrisch als functie van B. (B) ∣∣R2ωxx∣∣ bij B =3 T als functie van I, die wordt geëxtraheerd uit (A). Zwarte ononderbroken lijn toont lineaire fitting als functie van I. (C) Magnetische veldafhankelijkheid van ∣∣R2ωxx∣∣ bij T =0,22 K onder I =0,05 μA (rood), 0,6 A (oranje), 1,2 μA (groen), en 1,8 A (blauw). Elke kromme is verticaal 0,5 ohm verschoven en antisymmetrisch als functie van B. (D) Stroomafhankelijkheid van ∣∣R2ωxx∣∣ bij B =0,1 T, waarbij R2ωxx wordt beschouwd als een lineaire functie van B. In laagstroomgebied (I ≤ 1 μA), ∣∣R2ωxx∣∣ neemt lineair toe (zwarte ononderbroken lijn) met I. Credit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aay9120

Om de mogelijke oorsprong van niet-wederkerig supergeleidend transport in het systeem verder te onderzoeken, de wetenschappers maten de temperatuurafhankelijkheid van FHR en SHR tijdens de overgang. Om dit te bereiken, ze merkten magnetische veldafhankelijkheid van FHR en SHR op bij verschillende temperaturen en merkten specifiek op dat SHR grotendeels werd verbeterd tijdens supergeleidend transport. Hoewel Itahashi et al. toegepast een relatief grote stroom en in-plan magnetisch veld, ze registreerden een toestand van nulweerstand bij de laagste temperatuur. De resultaten impliceerden het bestaan ​​van de Berenzinskii-Kosterlitz-Thouless-overgang (BKT-overgang), genoemd naar een team van Nobelprijswinnende fysici van de gecondenseerde materie. Het beschrijft faseovergangen in 2D-systemen in de fysica van gecondenseerde materie, benaderd door een XY-model om ongebruikelijke fasen of toestanden van materie in supergeleiders te begrijpen.

Temperatuurafhankelijkheid van de magnetoweerstand en het niet-reciproke transport. Magnetische veldafhankelijkheid van (A) de eerste (Rωxx) en (B) de tweede (R2ωxx) harmonische magnetoweerstand bij T =0,16 K (rood), 0,19 K (oranje), 0,22 K (groen), 0,26 K (blauw), 0,29 K (paars), 0,33 K (zwart), en 0,37 K (roze), respectievelijk. In (B), elke curve wordt verticaal 0,5 ohm verschoven. Rωxx/R2ωxx is gesymmetriseerd/antisymmetriseerd als functie van B. Temperatuurvariatie van (C) Rωxx en (D) γ onder B =0,05 T en I =0,9 μA. In deze regio, R2ωxx is lineair als functie van B en I. Rωxx/γ is gesymmetriseerd/geantisymmetriseerd als functie van B. Karakteristieke structuur (knikstructuur rond T =0,24 K en piekstructuur rond T =0,17 K) verschijnt in (D), volgens welke we twee regio's van het niet-wederkerige transport van verschillende oorsprong kunnen identificeren, d.w.z., parageleidingsgebied en vortexgebied. Bij de laagste temperatuur nulweerstandstoestand wordt waargenomen, waarbij Rωxx en γ verwaarloosbaar klein worden. Vergroting van γ in (E) parageleidingsgebied en (F) vortexgebied. Zwarte stippellijn in (E) geeft de aanpascurve weer bij γ(T)=γs(1−R(T)RN)2, en de zwarte stippellijn in (F) geeft de fittingcurve aan met γ(T)=C(T−TeffBKT)−3/2. Weerstand in normale toestand RN =128 ohm wordt gedefinieerd als Rωxx bij T =1,0 K. Credit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aay9120

Op deze manier, Yuki M. Itahashi en collega's stelden niet-wederkerig transport voor in niet-centrosymmetrische (zonder inversiesymmetrie) 2D-supergeleiders binnen een magnetisch veld. Het niet-reciproke transport is ontstaan ​​door amplitudefluctuatie van de normale naar de supergeleidende toestand. Temperatuurafhankelijkheid van de coëfficiënt van niet-reciproke magnetoweerstand (γ) waargenomen in de experimenten kwam goed overeen met het microscopische theoretische beeld van vrije beweging voor thermisch geëxciteerde wervels en antivortices in polaire 2D-supergeleiders. De niet-wederkerige respons is daarom een ​​krachtig hulpmiddel om de aard van niet-centrosymmetrische supergeleiders te begrijpen.

Itahashi et al. geloven dat niet-wederkerig transport universeel zou kunnen voorkomen voor verschillende materialen bij grensvlaksupergeleidende systemen met polaire symmetrie. De resultaten bieden informatie over voorheen onbekende functies van supergeleiding en belangrijke informatie over de elektronische toestand en koppelingsmechanismen in niet-centrosymmetrische supergeleiders - als een belangrijk onderwerp voor verder onderzoek. Het werk benadrukte niet-reciproke transport in grensvlak supergeleidende systemen zoals gate-geïnduceerde 2-D supergeleider SrTiO 3 . Het team onderzocht de duidelijke sprong van niet-wederkerig transport van de normale naar supergeleidende toestanden als direct bewijs voor een enorme verbetering van niet-wederkerig transport in het systeem. De resultaten bieden belangrijk inzicht in polaire supergeleiders en effenen een nieuwe manier om te zoeken naar tot nu toe onbekende opkomende eigenschappen en functionaliteiten op 2-D oxide-interfaces en supergeleiders.

© 2020 Wetenschap X Netwerk




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Voorbeelden van diffusie in organen
  2. Sommige mariene soorten zijn kwetsbaarder voor klimaatverandering dan andere
  3. Verbetering van de neuronenfabriek - nieuwe modulator van stamcelidentiteit gevonden
  4. Amerikaanse biologische klok-genetici winnen Nobelprijs voor Geneeskunde 2017
  5. Van wilde kamelen tot cocaïne-nijlpaarden, grote dieren verwilderen de wereld
  6. Huidige vee-injecties verhogen het risico op letsel, onderzoek vindt
  7. Aanwijzingen voor de aangeboren resistentie tegen geneesmiddelen van een cacaofermenterende ziekteverwekker
  8. Vergelijking voor glucosemetabolisme
  9. Is maretak meer dan alleen een excuus voor een kus?

Wetenschap