Nieuwe grensvlaksupergeleider heeft nieuwe eigenschappen die nieuwe fundamentele vragen oproepen en kan nuttig zijn voor kwantuminformatieverwerking of kwantumdetectie.

Interfaces in vaste stoffen vormen de basis voor veel moderne technologie. Bijvoorbeeld, transistors die in al onze elektronische apparaten worden aangetroffen, werken door de elektronen op interfaces van halfgeleiders te regelen. Breder, het raakvlak tussen twee materialen kan unieke eigenschappen hebben die dramatisch verschillen van de eigenschappen die in beide materialen afzonderlijk worden gevonden, de weg vrijmaken voor nieuwe ontdekkingen.

Net als halfgeleiders, supergeleidende materialen hebben veel belangrijke implicaties voor technologie, van magneten voor MRI's tot het versnellen van elektrische verbindingen of het mogelijk maken van kwantumtechnologie. De overgrote meerderheid van supergeleidende materialen en apparaten zijn 3D, waardoor ze eigenschappen krijgen die goed worden begrepen door wetenschappers.

Een van de fundamentele vragen bij supergeleidende materialen betreft de overgangstemperatuur - de extreem koude temperatuur waarbij een materiaal supergeleidend wordt. Alle supergeleidende materialen bij regelmatige druk worden supergeleidend bij temperaturen ver onder de koudste dag buiten.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy hebben een nieuwe manier ontdekt om 2D-supergeleiding te genereren op een materiaalinterface bij een relatief hoge - maar nog steeds koude - overgangstemperatuur. Deze grensvlaksupergeleider heeft nieuwe eigenschappen die nieuwe fundamentele vragen oproepen en kan nuttig zijn voor kwantuminformatieverwerking of kwantumdetectie.

In de studie, Argonne postdoctoraal onderzoeker Changjiang Liu en collega's, werken in een team onder leiding van Argonne materiaalwetenschapper Anand Bhattacharya, hebben ontdekt dat zich een nieuwe 2D-supergeleider vormt op het grensvlak van een oxide-isolator genaamd KTaO ₃ (KTO). Hun resultaten werden op 12 februari online gepubliceerd in het tijdschrift Science.

In 2004, wetenschappers observeerden een dunne laag geleidende elektronen tussen twee andere oxide-isolatoren, LaAlO ₃ (LAO) en SrTiO ₃ (STO). Later bleek dat dit materiaal, een 2D-elektronengas (2DEG) genoemd, kan zelfs supergeleidend worden - waardoor het transport van elektriciteit mogelijk wordt zonder energie te dissiperen. belangrijk, de supergeleiding zou kunnen worden in- en uitgeschakeld met behulp van elektrische velden, net als in een transistor.

Echter, om zo'n supergeleidende toestand te bereiken, het monster moest worden afgekoeld tot ongeveer 0,2 K - een temperatuur die dicht bij het absolute nulpunt ligt (- 273,15 °C), waarvoor een gespecialiseerd apparaat nodig is dat bekend staat als een verdunningskoelkast. Zelfs met zulke lage overgangstemperaturen ( t _C ), de LAO/STO-interface is zwaar bestudeerd in de context van supergeleiding, spintronica en magnetisme.

In het nieuwe onderzoek ontdekte het team dat in KTO, interfaciale supergeleiding kan ontstaan ​​bij veel hogere temperaturen. Om de supergeleidende interface te verkrijgen, Liu, afgestudeerde student Xi Yan en collega's groeiden dunne lagen van ofwel europiumoxide (EuO) of LAO op KTO met behulp van ultramoderne dunnefilmgroeifaciliteiten in Argonne.

"Deze nieuwe oxide-interface maakt de toepassing van 2D-supergeleidende apparaten haalbaarder, " zei Liu. "Met zijn orde van grootte hogere overgangstemperatuur van 2,2 K, dit materiaal heeft geen verdunningskoelkast nodig om supergeleidend te zijn. Zijn unieke eigenschappen roepen veel interessante vragen op."

Een vreemde supergeleider

Verrassend genoeg, deze nieuwe grensvlaksupergeleiding toont een sterke afhankelijkheid van de oriëntatie van het facet van het kristal waar het elektronengas wordt gevormd.

Toe te voegen aan het mysterie, metingen suggereren de vorming van streepachtige supergeleiding in monsters met een lagere dotering waar stroompjes van supergeleidende gebieden worden gescheiden door normaal, niet-supergeleidende gebieden. Dit soort spontane streepvorming wordt ook wel nematiciteit genoemd, en wordt meestal aangetroffen in vloeibaar-kristalmaterialen die worden gebruikt voor displays.

"Elektronische realisaties van nematiciteit zijn zeldzaam en van groot fundamenteel belang. Het blijkt dat de EuO-overlaag magnetisch is, en de rol van dit magnetisme bij het realiseren van de nematische toestand in KTO blijft een open vraag, ' zei Bhattacharya.

In hun Science paper, de auteurs bespreken ook de redenen waarom het elektronengas wordt gevormd. Met behulp van transmissie-elektronenmicroscopen met atomaire resolutie, Jianguo Wen bij het Center for Nanoscale Materials in Argonne, samen met de groep van professor Jian-Min Zuo aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, toonde aan dat defecten gevormd tijdens de groei van de bovenlaag een centrale rol kunnen spelen.

Vooral, ze vonden bewijs voor zuurstofvacatures en vervangingsdefecten, waar de kaliumatomen worden vervangen door europium- of lanthaanionen - die allemaal elektronen aan het grensvlak toevoegen en het in een 2D-geleider veranderen. Met behulp van ultraheldere röntgenstralen bij de Advanced Photon Source (APS), Yan samen met Argonne-wetenschappers Hua Zhou en Dillon Fong, onderzocht de interfaces van KTO begraven onder de bovenlaag en observeerde spectroscopische handtekeningen van deze extra elektronen nabij de interface.

"Interface-gevoelige röntgentoolkits die beschikbaar zijn bij de APS stellen ons in staat om de structurele basis voor de 2DEG-formatie en de ongebruikelijke kristalfacetafhankelijkheid van de 2D-supergeleiding te onthullen. Er wordt gewerkt aan een meer gedetailleerd begrip, ' zei Zhou.

Naast het beschrijven van het mechanisme van 2DEG-vorming, deze resultaten wijzen de weg naar het verbeteren van de kwaliteit van het grensvlak-elektronengas door de syntheseomstandigheden te beheersen. Omdat de supergeleiding optreedt voor zowel de EuO- als de LAO-oxide-overlagen die tot nu toe zijn geprobeerd, vele andere mogelijkheden moeten nog worden onderzocht.

Het onderzoek wordt besproken in de paper "Two-dimensional superconductivity and anisotropic transport at KTaO ₃ (111) interfaces, " Wetenschap , DOI:10.1126/science.aba5511.