Unieke elektronische structuren gevonden op materiaalinterfaces kunnen onconventionele kwantumtoestanden laten ontstaan. In een nieuw verslag over Wetenschap , Changjiang Liu en een onderzoeksteam van het Argonne National Laboratory, Universiteit van Illinois en de Chinese Academie van Wetenschappen hebben de ontdekking gedetailleerd beschreven van supergeleiding in elektronengassen gevormd op de grensvlakken tussen kaliumtantalaat (KTaO ₃ ) en isolerende bovenlagen van Europium-II-oxide (EUO) of lanthaanaluminaat (LaAlO ₃ ). De supergeleidende overgangstemperatuur die 2,2 K naderde, waargenomen in dit werk, was een orde van grootte hoger dan eerdere systemen van lanthaanaluminaat / strontiumtitanaat. De kritische veld- en stroom-spanningsmetingen gaven het tweedimensionale (2-D) karakter van supergeleiding aan. Het team merkte een spontane transportanisotropie in het vliegtuig op in de EUO/KTaO ₃ monsters voorafgaand aan het begin van supergeleiding om de opkomst van een duidelijke 'streep'-achtige fase nabij het kritieke veld te suggereren.

Supergeleiding in 2-D

Liu et al. beschreven 2-D supergeleiding in elektronengassen gevormd op oxide-isolator / kaliumtantalaatoxide-interfaces. Supergeleiding in twee dimensies is een centraal thema in de fysica van de gecondenseerde materie en de materiaalkunde. Bij 2D-oppervlakken, de elektron-elektron- en elektron-roosterinteracties die paren bemiddelen, kunnen aanleiding geven tot toestanden die concurreren met supergeleiding. Als resultaat, slechts een kleine fractie van 2-D elektronengas (2-DEG) en ultradunne metaalfilms is supergeleidend. Onderzoekers hadden eerder het grootste deel van het fundamentele werk in 2D-supergeleiding uitgevoerd met behulp van amorfe dunne films om diepgaand inzicht te krijgen in de aard van klassieke en kwantumfase-overgangen. De 2-D supergeleiding kan worden gerealiseerd in kristallijne materialen en interfaces tussen kristallijne materialen, zodat wetenschappers symmetrieën kunnen realiseren en breken om elektronische structuren aan te passen op manieren die tot nu toe onmogelijk waren in amorfe en ongeordende dunne films. Bijvoorbeeld, in een 2D-supergeleider met sterke spin-baankoppeling en gebroken inversiesymmetrie, een Rashba-interactie kan leiden tot een kandidaatplatform om Majorana-modi te realiseren. Drie van de meest prominente voorbeelden van 2D-supergeleiders op kristallijne grensvlakken omvatten overgangsmetaaloxiden met sterke elektron-elektron- en elektron-roosterinteracties om supergeleidende paring te bemiddelen.

Kaliumtantalaat (KTaO ₃ of KTO) is een isolator met een kubische perovskietstructuur en een diëlektrische constante die 4500 overschrijdt bij afkoeling tot lage temperaturen. Het KTO-materiaal is een 'quantum para-elektrisch' substraat vanwege kwantumfluctuaties bij lage temperaturen tijdens ferro-elektrische overgang. Onderzoekers kunnen ionische vloeistofpoorten gebruiken om het KTO-oppervlak af te stemmen op een zwakke supergeleidende toestand. Om 2D-elektronengas (2-DEG) op de KTO-interfaces te realiseren, ze introduceerden vacuümsplitsen, gevolgd door blootstelling aan UV- of synchrotronstraling. Met behulp van hoek-opgeloste foto-emissie spectroscopie (ARPES) studies op het KTO-oppervlak, Liu et al. vond een duidelijk Fermi-oppervlak met een zesvoudige symmetrie afgeleid van de roosterarchitectuur. Ze maten een overgangstemperatuur van wel 2,2 K, die ze hebben afgestemd door de dragerdichtheid tijdens de monstergroei te variëren. Ze merkten ook een opkomende streepfase op die de rotatiesymmetrie in het KTO-oppervlak brak.

Het experiment

Het team bereidde vervolgens het 2D-elektronengas (2-DEG) op kaliumtantalaat (KTO) voor door een laag europiumoxide (EUO) te laten groeien via moleculaire bundelepitaxie of lanthaanaluminaat (LAO) met behulp van gepulste laserdepositie, die ze bevestigden met behulp van röntgendiffractiemetingen. Met behulp van aberratie-gecorrigeerde transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie en scanning-transmissie-elektronenmicroscopie, ze ontdekten zuurstofvacatures in de buurt van de EUO/KTO-interface. Toen ze de temperatuur verlaagden, de interface vertoonde supergeleiding. Liu et al. kweekte de monsters bij verschillende temperaturen en zuurstofdrukken om verschillende dragerdichtheden en mobiliteiten te verkrijgen. Ze merkten op dat de waargenomen kristallografische oriëntatie-afhankelijke 2-D supergeleiding aan de KTO-interface in scherp contrast staat met de 2-DEG's die zijn waargenomen bij strontiumtitanaat (STO) -interfaces, waar supergeleiding optrad voor alle oriëntaties.

Stroom-spanningsgedrag en Van der Pauw-geometrie

De supergeleiding in het EUO/KTO-monster vertoonde ook een robuust kritisch-stroomgedrag. Toen het team de temperatuur in de buurt van de overgangstemperatuur bracht, ze merkten een geleidelijk begin van een resistieve toestand op bij lage stromen. Ze interpreteerden de evolutie van supergeleiding in een 2D-supergeleider ten opzichte van een Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) -overgang. Overeenkomstig, stroomgestuurde ontkoppeling van vortex-anti-vortexparen gecreëerd door thermische fluctuaties bij eindige temperaturen veroorzaakte het begin van een niet-lineaire stroom-spanning (I-V) in de supergeleidende toestand. De resultaten suggereerden verder dat 2-D supergeleiding inhomogeen (divers) is, waar zwakke schakels zich bij de supergeleidende gebieden voegden.

Het team merkte vervolgens het verschijnen van een afzonderlijke fase op nabij de supergeleidende toestand in EUO/KTO-monsters met lage dragerdichtheid en voerde weerstandsmetingen uit in een van der Pauw-geometrie; d.w.z., een eenvoudige analytische techniek om elektrische weerstand en plaatweerstand te bepalen. Toen ze de temperatuur verlaagden tot onder 2,2 K, de weerstand nam met bijna 50 procent toe voor stroom langs de kristalas, terwijl het met 50 procent afnam voor stroom die in een andere kristallografische richting vloeide. De van der Pauw-methode versterkte de transportanisotropie in 2-DEG's met hoge mobiliteit, wat suggereert dat er een duidelijke fase is ontstaan ​​​​die de rotatiesymmetrie over macroscopische lengteschalen verbreekt, die aanhield over een breed temperatuurbereik van 2,2 K tot ongeveer 0,7 K. Bij nog lagere temperaturen, de weerstand in kristallografische richtingen verminderde snel tot nul om een ​​supergeleidende toestand te verkrijgen.

Kenmerken van 2D-supergeleiding

Na het verlagen van de temperatuur in de setup, Liu et al. merkte verhoogde weerstand op als gevolg van supergeleidende plassen die het transport tussen zwak gekoppelde supergeleidende gebieden remden. Ze herstelden de wereldwijde supergeleiding bij lagere temperaturen via Josephson-koppeling tussen deze regio's. De resultaten gaven aan dat de onderliggende supergeleiding anisotroop was, waardoor de supergeleidende gebieden zichzelf kunnen organiseren in strepen met coherente uitlijning over macroscopische lengteschalen. De magnetische veldafhankelijkheid van de plaatweerstand leverde verder bewijs voor een anisotrope streepachtige fase. Naarmate het magnetische veld groter werd, Liu et al. waargenomen een sterke toename van de weerstand die de globale supergeleiding langs beide stroomrichtingen onderdrukte. Op deze manier, toen de wetenschappers de wereldwijde supergeleiding onderdrukten met behulp van temperatuur of magnetische velden, de transportmetingen onthulden een streepfase om groot anisotroop transport te produceren dat langs vergelijkbare kristalassen in KTO- en STO-interfaces (kaliumtantalaat en strontiumtitanaat) is georiënteerd. Het onderzoeksteam stelt voor om verdere experimenten uit te voeren, inclusief degenen die de ruimtelijke structuur van supergeleiding onderzoeken om de aard van de waargenomen supergeleiding en weerstandsanisotropie te begrijpen.

© 2021 Science X Network